Experimento de flujo de calor

El experimento de flujo de calor fue un experimento científico lunar de la NASA de los Estados Unidos que tenía como objetivo medir la tasa de pérdida de calor de la superficie de la Luna . Se llevaron a cabo cuatro experimentos a bordo de las misiones Apolo. Dos experimentos se implementaron con éxito como parte de Apolo 15 y Apolo 17. El instrumento en el Apolo 16 se desplegó, pero el cable que lo conectaba a la estación central ALSEP estaba roto y el experimento quedó inoperativo. Se llevó a cabo un experimento de flujo de calor a bordo del Apolo 13, pero la misión se abortó en vuelo y el instrumento nunca llegó a la superficie. ^[1]

Establecer algunas de las propiedades térmicas de la superficie de la Luna ya era factible en la época de las misiones Apolo. La medición de las emisiones infrarrojas a través de un telescopio y la medición de los espectros de emisión de microondas de la Luna ya era posible desde la superficie de la Tierra. ^[2] Estas técnicas ya habían establecido algunas de las características de la superficie de la Luna, incluida la temperatura , la conductividad térmica y la capacidad térmica . ^[1] El grado en que estas propiedades estaban limitadas por los bajos niveles de emisión de infrarrojos, las largas longitudes de onda que limitaban la resolución de los datos y cómo las propiedades térmicas de la Luna varían con la profundidad. ^[1]

No se puede atribuir a una sola persona la propuesta de medir el flujo de calor de la Luna, dada la gran cantidad de propuestas que la NASA solicitó a la academia, la industria y los grupos científicos de la propia NASA. Varias de ellas propusieron un experimento de este tipo. ^[1] Sin embargo, el resultado fue que se formó un pequeño comité para explorar cómo se podrían tomar mediciones térmicas de la Luna. ^[1] El comité decidió que el foco de cualquier experimento térmico debería centrarse en el flujo de calor del interior de la Luna. ^[1]

El comité consideró varios enfoques que incluían múltiples sondas y otro que incluía "mantas". La técnica de la manta fue descartada inicialmente debido a la complejidad de hacer coincidir el albedo térmico de las sondas de la manta con el de la superficie de la Luna. ^[1] El método que se convirtió en la base para el instrumento fue un calentador cilíndrico emparejado con un sensor de temperatura a una distancia determinada. ^[1] Trabajos posteriores de este grupo establecieron que la sonda tendría que insertarse en el subsuelo para evitar grandes fluctuaciones de temperatura causadas por el ciclo día-noche en la superficie. ^[1] Bendix Corporation fue seleccionada como el contratista principal para el instrumento y Arthur D. Little fue el subcontratista. ^[1] Gulton Industries Inc. fue seleccionada para desarrollar los circuitos electrónicos. ^[1]

Debido a la necesidad de que la sonda se colocara a una profundidad debajo de la superficie del regolito, se sabía que se requeriría un taladro para penetrar la superficie lunar. ^[1] El desarrollo del taladro fue dirigido por Martin Marietta , quien tenía experiencia previa en el desarrollo de herramientas para la NASA. ^[1]

El paquete de instrumentos consta de dos sondas, cada una de ellas compuesta por dos secciones de 50 cm (20 pulgadas) de largo. ^[3] Cada extremo de la sección tiene un termómetro de gradiente que puede medir en dos puntos a 28 y 47 cm (11 y 19 pulgadas) de cada extremo. Por lo tanto, cada sección puede medir temperaturas a lo largo de cuatro puntos. ^[3] Los cables que conectan la sonda a la carcasa electrónica del experimento también tienen 4 termopares a 0, 65, 115 y 165 cm (0, 26, 45 y 65 pulgadas) del sensor de gradiente más alto. ^[3] Cada extremo de la sección también contiene un calentador para permitir la medición de la conductividad del material. ^[3] Cada calentador tenía dos configuraciones de potencia, 0,002 W y 0,5 W, que permitirían una exploración a través de un rango de posibles conductividades del material. ^[3] Las lecturas del experimento se tomaron cada 7,1 minutos o cada 54 segundos según el modo del calentador. ^[3] Las secciones de la sonda se colocaron mediante el uso del taladro de superficie lunar, idealmente a una profundidad de 3 m (10 pies) debajo de la superficie. ^[3]

El experimento de flujo de calor se planeó originalmente para llevarse a cabo en el Apolo 13, pero debido a que la misión fue cancelada, esto no ocurrió. Este instrumento se quemó en la atmósfera de la Tierra mientras aún estaba a bordo del módulo lunar. ^[1] No hubo tiempo suficiente para agregar el HFE al Apolo 14. ^[1]

El investigador principal del proyecto consideró que el fracaso del Apolo 13 había tenido un impacto en la recopilación de datos científicos. Se descubrió que el lugar de aterrizaje previsto para el Apolo tenía una presencia sustancial de radioisótopos de larga duración. El investigador principal del proyecto creía que si se hubiera intentado desplegar el instrumento del Apolo 13, se habrían podido mitigar mejor en misiones posteriores los problemas experimentados con el taladro y el regolito compacto. ^[1]

La perforación de los agujeros en el Apolo 15 estuvo a cargo de David Scott , el comandante de la misión. Después de perforar 100 cm (39 pulgadas), el taladro comenzó a volverse ineficaz, pero a pesar de una serie de desafíos, Scott logró perforar hasta una profundidad de 170 cm (67 pulgadas). En este punto, Scott tuvo que aplicar todo su peso y se tomó la decisión de insertar la primera sonda para probar su funcionalidad. ^{[1] [3]} Se inició un segundo agujero de perforación, pero se experimentaron dificultades con la perforación de inmediato y la finalización del segundo agujero de perforación se retrasó para la segunda EVA de la misión . El segundo agujero de perforación solo logró una profundidad de 100 cm y la sonda no estaba completamente debajo de la superficie lunar. ^{[1] [3]} A pesar de estas dificultades, las sondas pudieron tomar lecturas. ^{[1] [3]}

La causa de los problemas se debió a que los niveles más profundos del suelo lunar no habían sido alterados durante al menos 500 millones de años. Esto dio lugar a una compactación extrema que significaba que no se podía producir una mayor compresión del material sin aplicar grandes cantidades de fuerza. ^[1]

En el Apolo 16, los agujeros para las sondas fueron excavados por Charles Duke , que logró perforar hasta 3 m (10 pies) por debajo de la superficie. ^[4] El taladro del Apolo 16 había sido modificado para rectificar los problemas experimentados en la misión anterior, el Apolo 15. El experimento llegó a su fin antes de empezar cuando John Young tropezó con el cable que conectaba el experimento con la estación central de ALSEP. ^{[5] [4]} El cableado fue diseñado para resistir tensiones de tracción al ser tirado, pero no fue diseñado para resistir movimientos de desgarro. ^[1] Se consideró la posibilidad de repararlo, pero se rechazó debido a que necesitaba varias horas de tiempo en la superficie. ^[4]

Ambos pozos del Apolo 17 se perforaron sin problemas y ambas sondas se instalaron sin inconvenientes, continuando operando durante varios años. ^[1]

El experimento descubrió que la superficie más cercana del regolito lunar, que consta de unos pocos centímetros, estaba dominada por la transferencia de calor por radiación. Esto se debe principalmente a que el material es bastante suelto, con un contacto limitado con partículas del suelo que reduce la transferencia conductiva. ^[1] Durante el mediodía lunar, el 70% de toda la transferencia de calor era por radiación. ^[1] Después de los primeros 2 a 3 cm (0,8 a 1,2 pulgadas), la compactación del suelo aumenta y la densidad subsiguiente aumenta de 1,1–1,2 g/cc a 1,75–2,1 g/cc. El resultado es una conductividad sustancialmente mayor. ^[1]

El HFE encontró un gradiente térmico de entre 1,5 y 2,0 K/m con un flujo de calor de alrededor de 17 mW/m ² . Al tener en cuenta la incertidumbre de la medición, esto se alineó bien con los datos sísmicos y magnéticos. ^[1] Esto implicaría temperaturas que estarían relativamente cerca de la fusión a profundidades de alrededor de 300 km (190 mi). ^[1]

• Paquete de propiedades físicas y flujo de calor