¿Funcionaría en Marte un globo aerostático propulsado por helio?

1. Sí, un globo de helio ciertamente puede funcionar en Marte. Ha habido muchos estudios en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y en la Instalación de Vuelo Wallops de la NASA que muestran diseños de misiones factibles. Los globos Montgolfier calentados por energía solar pueden proporcionar más sustentación para la misma masa total del sistema, pero tienen variaciones de altitud muy grandes, que generalmente tocan tierra durante la noche. Un globo de helio a superpresión proporciona una estabilidad mucho mayor para misiones de larga duración. Ambos sistemas se discuten en este documento . (Nota al margen: es muy probable que un sistema para mantener el helio en estado líquido tenga más masa que solo tanques de alta presión para contener la misma cantidad de helio comprimido).

2. ¿Por qué querrías volver a comprimir el helio?

3. Usar un globo para el descenso terminal simplemente para evitar un paracaídas y cohetes sería ineficiente en términos de masa. Necesita un globo muy grande para una pequeña masa de carga útil. Sin embargo, se ha propuesto para cargas útiles muy pequeñas. (Ver documento anterior).

4. Un globo en Marte es útil para cargas útiles que quieren estar sobre la superficie pero no muy lejos, y luego quieren movilidad a través de la superficie. Lo que realmente se necesita es una misión que necesite un globo, no un globo que necesite una misión. Un ejemplo común es una misión de magnetómetro para mapear campos magnéticos. Dado que los campos magnéticos caen como una potencia alta del radio, la sensibilidad es mucho mayor en las altitudes del globo que en las altitudes orbitales.

Acerca de la pregunta 1. Sí, es posible tener un globo de trabajo en Marte, pero hay un par de diferencias importantes:

1. La presión de la atmósfera en Marte es de 0,7-0,9 kPa, en comparación con los 101 325 kPa de la Tierra, es muy baja. Esto significa que la densidad de la atmósfera es mucho menor y la sustentación proporcionada por el globo también es mucho menor (esto reduce la efectividad del globo en más de 100 veces).
2. Los componentes de la atmósfera son diferentes en Marte, el 95,32% es dióxido de carbono. En la Tierra, el nitrógeno (78.084%) y el oxígeno (20.946%) son componentes principales. Esto aumenta la densidad de la atmósfera de Marte en un 40% y mejora la sustentación del globo.
3. dado que la atmósfera de Marte no contiene oxígeno (0,13%), sería mejor usar hidrógeno (es 2 veces más ligero). En Marte, proporciona solo 1,05 veces más sustentación que el helio, pero el hidrógeno es más barato y más fácil de mantener. En la Tierra no lo usamos ya que es peligroso con oxígeno, ver Hindenburg .
4. La gravedad superficial no es importante (ver el principio de Arquímedes)

Usando hidrógeno, necesita 100/1.5/1.05 ~ 63 veces más gas (en el diámetro del globo significa 4 más grande) que en la Tierra para levantar el mismo peso. Si alguna vez has visto un globo, entonces sabes que no es una idea práctica.

Acerca de la pregunta 3. Véase Mars Pathfinder . No es exactamente globo pero se nota que estaban pensando en eso. Durante la entrada en la atmósfera, el globo de tamaño completo (que permitiría flotar) no podría sobrevivir en condiciones extremas, incluso si usa los mejores materiales. Incluso si fuera posible tener tales materiales, la presión del viento comprimirá el globo a una forma impredecible que conducirá al desastre.

Dudo que esto sea factible en absoluto. La atmósfera se compone principalmente de CO$_2$, que es más pesado que el helio pero la presión absoluta es solo 0,006 veces nuestra presión estándar. Entonces, básicamente, el recipiente de helio sería más liviano, pero la fuerza total debida a la flotabilidad es pequeña en comparación con la gravedad, que es solo 0,4 veces menor que en la Tierra.

Solo trata de calcular el volumen necesario para levantar 1 kg.

Como señaló Dan Piponi, hay algunos globos realmente grandes de la NASA. Entonces, si tomamos las dimensiones del artículo vinculado con 22 millones de pies cúbicos a 110 000 pies para levantar un gran experimento científico, mi estimación es que se necesitan aproximadamente 400 de estas botellas de gas (con una presión de 200 bares cada una):

Entonces eso no parece factible para ningún tipo de exploración de Marte en un futuro cercano.

Editar: como la cantidad necesaria de helio escala linealmente con el peso, esto depende mucho de la escala de la nave. El Mars Global Surveyor con 1035 kg requeriría las mencionadas 400 botellas de gas, incluso más para sondas más grandes como la Mars Reconnaissance Orbiter (2180 kg). Un pequeño paquete de sensores, esencialmente un nanosatélite (1-10 kg), es factible, ya que la cantidad requerida de gas es mucho menor.