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¿Calambres eléctricos en Marte? El caso de Ingenuity

Si frotas papel contra una pieza de plástico, este se va a pegar durante un rato a la pieza, incluso si lo pones boca-abajo a merced de la gravedad. Si tocas una pieza de metal electrificada, tu pelo se va a levitar en el aire. Y si frotas tus manos contra un jersey y luego te das las manos con tu compadre… ¡zap! ¡os pasó la corriente!

Esto es debido al intercambio de cargas eléctricas por la fricción y el contacto entre objetos. En el caso del papel y el plástico, uno se carga negativamente mientras que el otro lo hace positivamente, produciendo atracción electroestática entre los dos. En el caso donde tocas una pieza de metal electrificada, tu cuerpo entero cuerpo se vuelve cargado con el mismo signo y las partículas que lo componen sienten repulsión entre ellas, haciendo flotar en el aire partes ligeras como tu pelo. Normalmente, esto no es peligroso, pues poco a poco las cargas eléctricas son devueltas al medio a través del aire, que tiene una baja conductividad eléctrica. Pero si tocas algo con mayor conductividad (por ejemplo, el pomo metálico de una puerta o la mano de tu compadre), espérate una súbita descarga eléctrica y un doloroso calambre. Este es un fenómeno muy conocido llamado triboelectricidad.

¿Y qué tiene que ver todo esto con el helicóptero Ingenuity en Marte? Pues mira, ¿qué pasa si te digo que el polvo atmosférico y las aspas del helicóptero pueden surfrir de lo mismo? Esto es lo que han propuesto los autores del paper que estudiamos hoy, así que agárrate bien, ¡pero con cuidado de que no te pase la corriente!

La misión de Ingenuity y Perseverance

Imagen 1. Ilustración del helicópero Ingenuity sobre la superficie marciana, con el róver Perseverance detrás. Las aspas del helicópero tienen un diámetro de 1.2 metros, mientras que su peso es de 1.8 kg. Créditos de imagen: NASA/JPL-Caltech.

Por si has estado viviendo debajo de una piedra durante los últimos meses, el Ingenuity (Imagen 1) es el primer helicóptero que jamás ha volado en la atmosfera marciana. Este llegó a Marte dentro del rover Perseverance, la más reciente misión de exploración del planeta rojo por parte la NASA. Desde su aterrizaje en el planeta rojo el pasado 18 de febrero, el Ingenuity ha completado ya cuatro vuelos de forma completamente autónoma, un acontecimiento que demuestra una vez más la ingeniosidad de la especie humana.

Pero el vuelo del Ingenuity no es una tarea sencilla. La presión atmosférica en la superficie de Marte es una milésima de la presión a nivel de mar en la Tierra, prácticamente un vacío en comparación, de forma que las aspas de un helicóptero producen mucha menos propulsión. Pero por suerte, la gravedad marciana es también mucho menor. Para conseguir el vuelo, el Ingenuity usa dos aspas de 1.2 metros de diámetro que giran a 2800 revoluciones por minuto (¡compara con las típicas 500 revoluciones por minuto de los helicópteros terrestres!) para levantar sus 1.8 kg de peso.

Pero las aspas son, literalmente, una arma de doble filo para el Ingenuity. No solamente es la atmósfera marciana muy tenue, sino que también contiene grandes concentraciones de polvo. En la siguiente sección vamos a ver qué tienen que ver entre sí las aspas, el polvo y las descargas eléctricas.

El Ingenuity se enrampa con el polvo marciano

Imagen 2. Ilustración esquemática del efecto triboeléctrico sobre el Ingenuity. El filo de las aspas fricciona con las motas de polvo marciano, adquiriendo una carga positiva que se esparce por todas las piezas del helicóptero y se acumula en su superfície, creando un campo eléctrio E hacia el exterior. Llegados a una situación de equilibrio, una corriente eléctrica JT circula desde la punta de las aspas, dónde las colisiones son más fuertes, y hacia fuera del sistema viajando por toda su superfície. Créditos de Imagen: Farrell et al. 2021.

Si has leído el primer párrafo y eres astuto/a, ya habrás adivinado de lo que vamos a hablar. Efectivamente: el polvo marciano en fricción con las aspas del Ingenuity producen triboelectricidad. Los autores del artículo proponen que colisiones con las abundantes motas de polvo transmiten cargas hacia las aspas, las cuales luego son conducidas a otras partes del helicóptero a través de sus piezas (Imagen 2). A la práctica, esto implica que el Ingenuity acumula carga positiva durante su vuelo.

Como hemos visto antes, esto no implica ningún riesgo si la carga se disipa lentamente a través del aire. En general, la descarga ocurre porque la carga acumulada en una superficie conductiva produce un campo eléctrico que apunta hacia afuera del objeto cargado. Este campo eléctrico arranca paulatinamente las cargas, induciendo una leve corriente eléctrica hacia el medio exterior. Si esto cuesta de entender, se puede pensar que las cargas acumuladas se repelen entre si y con el tiempo tienden a escapar del objeto (en el caso del Ingenuity, ya que está cargado positivamente, son en realidad los electrones del aire que quieren entrar en su interior).

Sin embargo, las condiciones de una atmósfera de CO2 y de baja densidad como la marciana son bastante especiales. Los autores se refieren a experimentos pasados para mostrar que, si bien en un inicio la conductividad eléctrica aumenta linealmente con la densidad de carga acumulada en la superfície del Ingenuity, en condiciones marcianas, a partir de el momento en que el campo eléctrico supera los 20 kV/m, los electrones cargados en movimiento arrancan aún más electrones de las moléculas de CO2 del ambiente, provocando una catarata de electrones e incrementando la intensidad de la corriente eléctrica exponencialmente. Este es el llamado Régimen de Townsend. Llegados a los 50 kV/m, la situación es tan extrema que se forma una descarga continua en forma de chispas, como si de un rayo permanente en miniatura se tratara. Este fenómeno sería especialmente fuerte durante el levantamiento y aterrizaje del Ingenuity, cuando los corrientes de aire levantan grandes cantidades de polvo del suelo, incrementando su densidad an la atmósfera local en un factor de 10.

Imagen 3. Campo eléctrico (E-field)/conductividad (Conductivity) a la que llega la Ingenuity en función de la intensidad de la corriente eléctrica (Δη/Δt). Los valores máximos de equlibrio durante el vuelo (Ambient dust load) y durante el despegue/aterrizaje (Enhanced dust load) son marcados con líneas discontinuas verticales. En el segundo caso se estima que la corriente entra en el Régimen de Townsend, pero no llega a la descarga en forma de chispa (spark). Créditos de Imagen: Farrell et al. 2021.

Pese a todo, los autores aseguran que no hay motivo de preocupación con el Ingenuity. Precisamente debido a que la corriente eléctrica incrementa a medida que la carga se acumula, llega un momento en el que hay tantas cargas saliendo como entrando en el Ingenuity sin acumularse más. Esto se conoce cómo una corriente de equilibrio. Asumiendo una densidad de polvo de 10 partículas/cm3, ellos calculan que se llega a una corriente de equilibrio a través la superficie del Ingenuity de 10-8 A/m2 en cuestión de segundos. En condiciones de despegue y aterrizaje, cuando la densidad del polvo puede llegar a las 100 partículas/cm3, esta corriente se monta hacia los 10-7 A/m2. En caso de que el Ingenuity no fuese un buen conductor eléctrico y las cargas se quedaran en las aspas, la corriente se vería simplemente duplicada en ambos casos. En ninguno de ellos hay un riesgo significativo para el Ingenuity.

Así pues, parece que el Ingenuity va a seguir sobrevolando los paisajes marcianos sin preocuparse de que rayos eléctricos quemen sus circuitos. Igualmente, yo de ti trataría de evitar tocarlo después de un largo vuelo, no fuese que te diera un doloroso calambre.

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona y redacté mi tesis de grado sobre el crecimiento de las galaxias. Cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, en Suecia, donde practiqué astronomía de neutrinos con la gente del IceCube entre otras cosas. Redacté mi tesis de máster en Berlín sobre astronomía de rayos-X con los telescopios XMM-Newton y eROSITA, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación, con los radiotelescopios de MeerKAT y Parkes. En mi tiempo libre soy un gamer, lector y excursionista. Me interesa mucho la historia moderna también.

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