Introducción y objetivos

Durante más de cinco décadas, las misiones humanas y robóticas han ampliado significativamente nuestro conocimiento sobre la Luna. Sin embargo, aún queda mucho por descubrir, especialmente en lo que respecta a su comportamiento térmico. Comprender cómo varía la temperatura en la superficie y subsuelo lunar es esencial para planificar futuras misiones y garantizar la seguridad y eficiencia de las operaciones en el satélite natural.

Con este objetivo, el Dr. Durga Prasad y su equipo del Physical Research Laboratory en India desarrollaron un modelo 3D pionero utilizando COMSOL Multiphysics^® tal y como se muestra en la Figura 1. Este modelo combina simulaciones numéricas con experimentos de laboratorio para analizar las variaciones espaciales y temporales de temperatura en las capas superficiales y subsuperficiales de la Luna [1].

¿Por qué es importante conocer el comportamiento térmico lunar?

Las condiciones térmicas extremas de la Luna, con temperaturas que oscilan entre los -173 °C durante la noche y los 127 °C durante el día, representan un desafío significativo para las misiones espaciales. Estos ciclos térmicos pueden afectar la integridad estructural de los hábitats y equipos, además de influir en la eficiencia de los sistemas de generación de energía y gestión térmica.

Además, el estudio del comportamiento térmico lunar es crucial para identificar posibles recursos, como el hielo de agua, y desarrollar estrategias para su extracción. También proporciona información valiosa sobre la geología lunar, las propiedades del regolito y los procesos internos del satélite.

Figura 1. (a) Valle de Taurus–Littrow y sitio de aterrizaje del Apollo 17. (b) Región de interés considerada para simulaciones a escala regional. (c) Geometría artificial del MDE creada para simulaciones a escala local. (d) Geometría mallada y plano de corte en el eje y-z.

Desarrollo del modelo termofísico lunar

El modelo desarrollado por el Dr. Prasad se basa en un enfoque de elementos finitos tridimensionales, implementado en el entorno de COMSOL Multiphysics® junto con el módulo de transferencia de calor. Este enfoque permite representar con precisión las complejas geometrías de la superficie lunar y es adecuado para simulaciones a diferentes escalas.

El modelo considera una estructura de dos capas: una capa superior porosa con baja conductividad térmica y una capa inferior más densa. Esta configuración refleja la composición real del regolito lunar y su influencia en la distribución de temperaturas en la superficie y el subsuelo.

Para validar el modelo, se realizaron experimentos de laboratorio utilizando suelos análogos al regolito lunar bajo condiciones simuladas del entorno lunar. Los resultados obtenidos mostraron una buena concordancia con las simulaciones, lo que respalda la precisión y utilidad del modelo desarrollado. La Figura 2 muestra la distribución de temperaturas superficiales obtenidas a partir del modelo y las simulaciones numéricas en COMSOL Multiphysics^®.

Figura 2. Gráficas tridimensionales de las temperaturas superficiales obtenidas del modelo desarrollado en COMSOL Multiphysics® para simulaciones a escala local en momentos seleccionados de un día lunar.

Consideración de parámetros clave y la influencia de la topografía

El modelo incorpora parámetros físicos fundamentales como la densidad, conductividad térmica y calor específico, los cuales no son constantes y dependen de diversos factores, incluyendo la latitud, composición del suelo y características topográficas. La topografía lunar, con sus cráteres y variaciones en la elevación, desempeña un papel crucial en la transferencia de calor. El modelo desarrollado permite analizar cómo estas características afectan la distribución térmica, proporcionando información esencial para la selección de sitios de aterrizaje y la planificación de infraestructuras en futuras misiones.

Conclusión

El uso de COMSOL Multiphysics® ha sido fundamental para el desarrollo de un modelo termofísico tridimensional que mejora nuestra comprensión del comportamiento térmico de la Luna. Este modelo no solo facilita la planificación de futuras misiones espaciales, sino que también contribuye al avance del conocimiento científico sobre nuestro satélite natural.

Para más detalles sobre este estudio, puedes consultar el artículo original en el blog de COMSOL: A 3D Model Helps Scientists Predict Thermal Behavior of the Moon.

Referencias

[1] K.D. Prasad, V.K. Rai, and S.V.S. Murty, “A comprehensive 3D thermophysical model of the lunar surface,” Earth and Space Science, vol. 9, 2022; https://doi.org/10.1029/2021EA001968
[2] COMSOL Blog (2025), “A 3D Model Helps Scientists Predict Thermal Behavior of the Moon”: https://www.comsol.com/blogs/a-3d-model-helps-scientists-predict-thermal-behavior-of-the-moon.