Los nuevos engranajes pueden soportar impactos y temperaturas bajo cero durante las misiones lunares.





Andrew Kennett (izquierda) observa cómo Dominic Aldi (derecha) usa nitrógeno líquido para enfriar una caja de engranajes de vidrio metálico integrada en el motor antes de probarla. El motor y la caja de cambios están dentro del “cubo” de metal helado que contiene el nitrógeno líquido. Las herramientas, incluido el “cubo”, están diseñadas para montarse tanto verticalmente (mostrado) como horizontalmente en el cubo para probar el motor y la caja de engranajes en tres orientaciones.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.
El motor y la caja de cambios están montados para realizar pruebas en una de dos orientaciones horizontales. Se forma escarcha en la superficie del “cubo” cuando se usa nitrógeno líquido para enfriar el hardware a la temperatura de prueba de -173 grados Celsius.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.

Muchos destinos de exploración en nuestro Sistema Solar son fríos y requieren hardware que pueda soportar el frío extremo. Durante las misiones Artemis de la NASA, las temperaturas en el Polo Sur de la Luna bajarán drásticamente durante la noche lunar. Más adentro del Sistema Solar, en Europa, la luna de Júpiter, las temperaturas nunca superan los -162 grados Celsius en el ecuador.

Un proyecto de la NASA está desarrollando engranajes especiales que puedan soportar las temperaturas extremas experimentadas durante las misiones a la Luna y más allá. Por lo general, a temperaturas extremadamente bajas, los engranajes y la carcasa en la que están encajados, llamada caja de cambios, se calientan. Después del calentamiento, un lubricante ayuda a que los engranajes funcionen correctamente y evita que las aleaciones de acero se vuelvan quebradizas y, finalmente, se rompan. El equipo del proyecto Bulk Metallic Glass Gears (BMGG) de la NASA está creando material hecho de “vidrio metálico” para cajas de engranajes que pueden funcionar y sobrevivir en ambientes extremadamente fríos sin calefacción, lo que requiere energía. Las operaciones en entornos fríos y oscuros u oscuros, están actualmente limitadas debido a la cantidad de energía disponible en un vehículo o módulo de aterrizaje.

Las cajas de cambios sin calefacción BMGG reducirán la potencia total necesaria para las operaciones de un vehículo de superficie o módulo de aterrizaje, como apuntar antenas y cámaras, mover brazos robóticos, manipular y analizar muestras y movilidad (para un vehículo de superficie). La energía ahorrada con la caja de cambios BMGG podría extender una misión o permitir más instrumentos.

El impacto para la prueba se genera lanzando una masa de acero (uno de los cilindros redondos en la parte inferior izquierda de la imagen) en la parte inferior de la viga de acero larga. Las abrazaderas grandes establecen la longitud de la viga que puede “chocar” por el impacto. Al cambiar la posición de la abrazadera, se puede ajustar el perfil del amortiguador, de ahí el nombre “haz sintonizable”. El gran cubo montado en la viga simplifica el montaje del hardware para las pruebas. El evento de choque se captura utilizando un acelerómetro montado en el hardware.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.

El equipo probó recientemente los engranajes en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. En el Laboratorio de Pruebas Ambientales de JPL, los ingenieros montaron el motor y la caja de cambios en una viga sintonizable diseñada para medir la respuesta que tiene un objeto a un impacto o impacto fuerte. Luego, los miembros del equipo usaron nitrógeno líquido para enfriar los engranajes a aproximadamente -173 grados Celsius. A continuación, dispararon un proyectil cilíndrico de acero a la viga para simular un “evento de choque”. Las pruebas de choque se utilizan para garantizar que el hardware de la nave espacial no se rompa durante eventos que causan una sacudida repentina, como el lanzamiento de una antena o lo que experimenta una nave espacial durante la entrada, el descenso y el aterrizaje. La prueba simuló cómo podrían comportarse los engranajes de vidrio metálico al recolectar una muestra de regolito durante la noche lunar, que abarca aproximadamente 14 días en la Tierra, o al desplegar un instrumento científico en un mundo oceánico en nuestro Sistema Solar.

“Antes de que la NASA envíe hardware como cajas de engranajes, particularmente aquellos hechos con nuevos materiales a ambientes extremadamente fríos, queremos asegurarnos de que no se dañen por los eventos estresantes que ocurren durante la vida de una misión”, dijo Peter Dillon, proyecto BMGG gerente en JPL. “Esta prueba de impacto simula las tensiones de entrada, descenso y aterrizaje, y posibles operaciones en la superficie”.

Antes de cada prueba de impacto, un miembro del equipo vertió nitrógeno líquido sobre el motor y la caja de cambios contenidos en un “cubo”. El nitrógeno líquido, que hierve a -196 grados Celsius, llevó la temperatura de la caja de cambios por debajo de -173 grados Celsius. El nitrógeno líquido se drenó y, en unos pocos segundos, un impactador de acero disparó contra una viga de acero en la que estaban montados el motor y la caja de cambios. Luego, el equipo hizo funcionar el motor para impulsar la caja de cambios y determinar si el evento de choque había dañado la caja de cambios y su motor. El equipo monitoreó la corriente eléctrica requerida para hacer funcionar el motor y escuchó cualquier sonido irregular que indicara daños. El motor y la caja de cambios se probaron dos veces en tres orientaciones diferentes. Cada prueba demostró que los engranajes podían resistir un “evento de choque” a una temperatura tan baja como -173 grados Celsius.

“Este es un evento emocionante, ya que demuestra tanto la resistencia mecánica de la aleación de vidrio metálico como el diseño de la caja de cambios”, dijo Dillon. “Estos engranajes podrían ayudar a habilitar potenciales operaciones durante la noche lunar, en cráteres lunares permanentemente sombreados, en regiones polares de la Luna y en mundos oceánicos”.

El equipo de BMGG realizará pruebas adicionales de temperatura fría el próximo año para calificar los engranajes para su uso en futuras misiones de la NASA.