ENVÍO DE SEÑALES A TRAVÉS DEL HIELO EN MUNDOS OCEÁNICOS

 La detección de vida extraterrestre sería un descubrimiento increíble, que revolucionaría la percepción de la vida por parte de la humanidad y nos brindaría una idea de cómo comienza

y persiste la vida en diversos entornos. La exploración de mundos oceánicos como Europa y Encelado, que orbitan alrededor de Júpiter y Saturno, respectivamente, es particularmente intrigante, ya que pueden albergar condiciones propicias para la vida, como agua líquida, química esencial, fuentes de calor o energía y océanos de larga vida.


Figura 1: Concepto artístico de la vista transversal de Europa que representa el entorno emocionante y potencialmente habitable del mundo oceánico (Crédito: K. Hand et al./NASA/JPL)

Para dar seguimiento a las detecciones de entornos habitables obtenidas por misiones anteriores (por ejemplo, Cassini), las misiones futuras para detectar vida en mundos oceánicos helados requerirán más que solo observaciones remotas. La exploración profunda del subsuelo que llegue a los océanos de las lunas y/o las bolsas de agua encaramadas en la capa de hielo podría revelar, así como caracterizar en detalle, cualquier vida que pueda existir allí.

Acceder al océano subterráneo o a las bolsas derretidas encaramadas dentro de una capa de hielo planteará desafíos importantes. Desde una perspectiva tecnológica, una misión de exploración exitosa requerirá comenzar en el vacío a temperaturas extremadamente frías (temperaturas “criogénicas”), penetrar decenas de kilómetros a través de una capa de hielo durante algunos años y acceder al océano, todo mientras se mantiene la comunicación con los activos en la superficie de la luna para transmitir datos a la Tierra. El viaje a través del hielo implicará navegar a través de una capa de hielo con variaciones de temperatura, resistencias materiales y posibles composiciones cáusticas desconocidas, y requerirá la capacidad de sobrevivir al estrés causado por las mareas y el posible movimiento de fallas (es decir, terremotos de hielo).



Figura 2. Concepto artístico de un criobot en Europa (crédito de la imagen: Alexander Pawlusik/NASA)


Hasta la fecha, ha surgido un concepto de tecnología robusta para explorar con eficacia el interior de las capas de hielo: el robot de penetración de hielo, o “criobot” (ver Figura 2). Un criobot penetra a través del hielo derritiendo o excavando el hielo (y los contaminantes que no son hielo) mediante fusión, corte o un método híbrido. Las sondas de hielo terrestres se han propuesto y/o desarrollado durante décadas, con pruebas de laboratorio y de campo en la Antártida y Groenlandia para explorar la viabilidad del concepto para futuras misiones planetarias. Para mejorar la preparación para la misión de una sonda de hielo-océano de este tipo, el equipo de STI está desarrollando tecnologías de comunicación sólidas que emplean cables ópticos y módulos de radiofrecuencia de espacio libre capaces de transmitir datos a través de varios kilómetros de hielo mientras sobreviven a las condiciones extremas que se encuentran en los mundos oceánicos.

Europa: Frío extremo y cargas extremas: Los robots sumergibles que utilizan resistentes microfibras de fibra óptica (diámetros ~1-2 mm) que tienen suficiente longitud y masa para soportar las arquitecturas de criobots de Europa propuestas se han empleado con éxito en la Tierra para la exploración oceánica terrestre. Sin embargo, no se ha demostrado la capacidad de estos sistemas para soportar las condiciones extremas del hielo en Europa. Por lo tanto, el equipo multidisciplinario de STI desarrolló nuevos protocolos e instrumentación para evaluar las capacidades de las ataduras de comunicación óptica bajo las condiciones térmicas y de estrés (100 - 260 K) esperadas en la capa helada de Europa. El equipo aplicó una carga de cizallamiento a estas temperaturas para una variedad de cargas y tasas de carga para simular los terremotos de hielo progresivos y de deslizamiento rápido anticipados en el entorno de la capa de hielo del mundo oceánico.

El equipo de STI realizó estas pruebas usando un aparato de deformación biaxial criogénica en el Observatorio de la Tierra Lamont Doherty (LDEO) (ver Figura 3a). Mediante pruebas en un entorno de laboratorio que simula un entorno mundial oceánico relevante, el equipo caracterizó la resistencia al corte de dos ataduras en condiciones similares a las fallas de hielo en Europa. El equipo usó un troquel de tres secciones de última generación para aplicar pretensión a la atadura (consulte la Figura 3b), alrededor de la cual se congeló una muestra de hielo policristalino, con dos separaciones de planos preexistentes para representar fallas perpendiculares a la atadura. pueden cruzarse (líneas punteadas, en la Figura 3b).

Este protocolo de matriz demostró ser un método confiable para crear muestras de hielo con ataduras pretensadas y completamente incrustadas, y demostró una nueva y valiosa técnica de preparación de pruebas para la comunidad científica. La figura 3c muestra una de las ataduras probadas, el cable de fibra óptica de amarre fuerte de alta resistencia Linden (HS-STFOC) y las capas de material protector que rodean la fibra óptica a través de las cuales se transmiten los datos. Los cambios en la integridad óptica y la intensidad de la señal observados durante las pruebas indican cuán capaz sería la atadura en varias regiones de la capa de hielo de Europa.

Los resultados de las pruebas de cizallamiento demostraron un nivel sorprendentemente alto de solidez de las ataduras en el rango de temperaturas y velocidades de deslizamiento de fallas de hielo que se esperan en mundos oceánicos como Europa y Encelado. Las velocidades de deslizamiento de la falla fueron controladas por las tasas de carga aplicadas. La Figura 4b muestra la tensión máxima sobrevivida por las dos ataduras particularmente robustas probadas: Linden Photonics Inc. Strong Tether Fiber Optic Cable (STFOC) y Linden HS-STFOC, que sobrevivieron a tensiones máximas de hasta 1,5 MPa dentro del rango de velocidad de deslizamiento de falla de 5x10- 7 a 3x10-4 m/s.


Sin embargo, a pesar de sobrevivir a la variedad de eventos de deslizamiento progresivo y de cizallamiento de terremotos de hielo a las temperaturas más frías (~100 K) y de mantener la comunicación óptica durante las pruebas, el equipo notó algunos daños en las cubiertas exteriores de las ataduras y el estiramiento de las cubiertas internas. (p. ej., Figura 4c), lo que indica la necesidad de un mayor desarrollo de ataduras, que actualmente se lleva a cabo en el marco del programa COLDTech de la División de Ciencias Planetarias.

 

El estudio STI, con interfaces de hielo deslizantes toscamente rotas e imperfectamente planas (probablemente similares a las fallas reactivadas en Europa) a través de estas tasas de deslizamiento de fallas, cargas de corte y rangos de temperatura de la capa de hielo, proporciona una confirmación sólida de cómo la estabilidad friccional del hielo depende de la temperatura. y la velocidad de deslizamiento de la falla. Estos hallazgos son significativos para su posible aplicación en Europa, lo que sugiere una variación del comportamiento de deslizamiento con la profundidad. Las porciones superior e inferior de la capa de hielo se deslizan suavemente (y lentamente), mientras que en un rango medio de temperatura y profundidad, las fallas heladas podrían iniciar eventos rápidos de terremotos de hielo. Al caracterizar la transmisión de datos en estas condiciones, las pruebas muestran que las ataduras podrían servir potencialmente como instrumentos científicos para detectar terremotos de hielo y establecer el perfil térmico de la capa de hielo.

Estos desarrollos y otros realizados por el equipo de STI están avanzando en tecnologías de comunicación ancladas y de espacio libre para eliminar los riesgos técnicos de una misión criobot para acceder a mundos oceánicos. Los esfuerzos de STI también están mejorando la capacidad de sondear las temperaturas y las propiedades mecánicas y de composición de las capas de hielo dinámicas, y están guiando los futuros desarrollos tecnológicos para la exploración del subsuelo de los mundos oceánicos.

 

LÍDERES DEL PROYECTO

Kathleen Craft, Laboratorio de Física Aplicada de JHU (JHU APL); Vishaal Singh, Observatorio de la Tierra Lamont Doherty (LDEO), Universidad de Columbia; Christine McCarthy, LDEO; Michael V. Jakuba, Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI); Mateo Silvia, WHOI

DRA. ANAYATZIN S. MENDOZA 

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