Instalación experimental para estudiar las rayas de eyección. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-62001-8
Múltiples aterrizajes lunares, realizados durante varias décadas, produjeron un patrón de polvo notablemente similar en la superficie lunar. La recurrencia de este patrón, creada por los disparos de cohetes durante el touchdown, es un misterio de larga duración que ahora tiene una respuesta, proporcionada por un equipo de investigación que incluye investigadores de la NASA, Johns Hopkins y la Universidad de Michigan.
Importa porque la capacidad de explicar los fenómenos que ocurren durante el aterrizaje valida las simulaciones de partículas de polvo durante los aterrizajes, utilizada para garantizar que tanto las misiones tripuladas como no sean sin seguridad.
“La prueba y el error no es una opción al diseñar naves espaciales para otros planetas. Estos hallazgos nos dan una mayor confianza en las simulaciones que guían misiones futuras”, dijo Jesse Capecelatro, profesor asociado de UM de Ingeniería Aeroespacial e Ingeniería Mecánica, y coautor del estudiar en la naturaleza comunicaciones.
El equipo determinó lo que hay detrás de los patrones repetidos, que aparecen como rayas que irradian hacia afuera desde el área de aterrizaje. El equipo descubrió que un fenómeno de dinámica fluida llamada inestabilidad de Görtler está en juego.
Un estudio sobre aterrizajes lunares, eyección de partículas, nubes de polvo e inestabilidad de Görtler. Crédito: Michigan Engineering.
“Descubrimos que los patrones de racha sorprendentemente regulares vistos durante los aterrizajes no son causados por los sitios de aterrizaje elegidos”, dijo Rui Ni, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería Johns Hopkins Whiting. “En cambio, resultan del comportamiento del penacho del cohete supersónico, ya que se imprime en la superficie granular. Este efecto es extremadamente pronunciado en la luna debido a su entorno cercano al vacío”.
Determinar la causa requirió recrear las condiciones de baja presión de la luna en la tierra. Los investigadores de Johns Hopkins montaron seis cámaras dentro de una cámara de vacío de 15 pies en el Marshall Space Flight Flight Center de la NASA en Alabama. El objetivo: ver la erosión causada por un chorro de gas que se extiende sobre un lecho de suelo lunar simulado en condiciones cercanas al vacío.
Esas cámaras pudieron ver cómo se formaron los cráteres y rastrearon la trayectoria y la velocidad de las pequeñas partículas del suelo. Ni y su equipo analizaron los datos de laboratorio, mientras que los investigadores de UM realizaron simulaciones complementarias para determinar si las rayas se originan en el chorro de gas por encima de la superficie, que las cámaras no podían recoger.
“Cuanto menor sea la presión, más verá el patrón”, dijo Capecelatro, quien dirigió las simulaciones. “A presiones más altas, casi ni siquiera es visible. En Marte, con su mayor presión, el chorro está colimado, casi como un sable de luz que conduce a la superficie, creando cráteres profundos. Apenas ves los patrones allí.
“Pero en la luna, tienes una presión mucho menor, por lo que los aviones soplan más, causando esta erosión en lugar de cráter”.
Capecelatro y conoce a Patel, un asistente de investigación de estudiantes graduados de UM, primero pensó que los patrones podrían ser el resultado de la turbulencia. Pero el hecho de que se encontró que las rayas eran más pronunciadas a presiones más bajas descartó la idea. Patel comenzó a explorar una explicación diferente que no depende de la turbulencia, señalando un tipo de inestabilidad de fluido que genera vórtices persistentes y similares a las rayas.
Imágenes de diferentes aterrizajes lunares a medida que la nave espacial se acerca a la superficie de la luna, generando rayas de eyección radial. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-62001-8
La inestabilidad de Görtler describe la creación de vórtices, flujos secundarios en la dinámica de fluidos, que aparecen en una capa límite a lo largo de una superficie cóncava.
“Las rayas son causadas principalmente por algo que está sucediendo muy cerca del motor en sí”, dijo Patel “Cuando el flujo de gases de escape sale del motor, hay una curvatura en el flujo, una flexión que ocurre debido a la presión extremadamente baja de la luna.
“Pensamos que debe haber algo en el chorro, como el gas, que en realidad está generando estos vórtices que imprimen en la superficie”.
Los experimentos de laboratorio de Johns Hopkins visualizaron las rayas en la superficie granular, pero no capturaron el flujo de gas justo por encima de él, algo que podría verificar que los vórtices se originen aguas arriba cerca de la boquilla. La supercomputadora de UM, el grupo HPC de los Grandes Lagos, proporcionó simulaciones de alta resolución del chorro de alta velocidad. Eso permitió que el flujo de gas se visualizara lejos de la superficie, y un rango más amplio de relaciones de presión se estudiará más allá de las condiciones experimentales.
No solo se observaron vórtices de contrarrota, sino que el número de vórtices coincidía con la teoría predicha por la inestabilidad de Görtler, proporcionando evidencia de que esta dinámica creó el patrón.
“Comprender la eyección de alta velocidad producida por las plumas de escape es crucial porque es algo que plantea graves riesgos para las misiones espaciales”, dijo Capecelatro. “Una teoría que predice el número de rayas creadas por un motor de cohete puede ayudar a validar modelos numéricos”.
Más información: J. Sebastian Rubio et al, rayas polvorientas en la luna: huellas digitales de inestabilidades de flujo multifásico, comunicaciones de la naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41467-025-62001-8
Proporcionado por la Universidad de Michigan College of Engineering
Cita: Resolver un misterio de luna ayuda a jugar al futuro aterrizaje (2025, 29 de julio) Consultado el 29 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07 moon-mytery-game-future.html
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