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Orbitador de gases traza

El ExoMars Trace Gas Orbiter ( TGO o ExoMars Orbiter ) es un proyecto de colaboración entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la agencia rusa Roscosmos que envió un orbitador de investigación atmosférica y el módulo de aterrizaje de demostración Schiaparelli a Marte en 2016 como parte del proyecto liderado por Europa. Programa ExoMars . [7] [8] [9]

El Trace Gas Orbiter entregó el módulo de aterrizaje Schiaparelli el 16 de octubre de 2016, que se estrelló en la superficie debido a una liberación prematura del paracaídas. [10]

El orbitador comenzó a frenar aerodinámicamente en marzo de 2017 para reducir su órbita inicial de 200 por 98.000 km (120 por 60.890 millas). El aerofrenado concluyó el 20 de febrero de 2018 cuando el encendido final del propulsor dio como resultado una órbita de 200 por 1050 km (120 por 650 millas). [11] Los disparos adicionales de propulsores cada pocos días elevaron el orbitador a una órbita circular "científica" de 400 km (250 millas), que se logró el 9 de abril de 2018. [12]

Un objetivo clave es lograr una mejor comprensión del metano ( CH 4 ) y otros gases traza presentes en la atmósfera marciana que podrían ser evidencia de una posible actividad biológica. Originalmente se pretendía que el programa siguiera con el módulo de aterrizaje Kazachok y el rover Rosalind Franklin en 2022, [13] [14] , que habría buscado biomoléculas y biofirmas ; El TGO habría operado como enlace de comunicación para el módulo de aterrizaje y el rover ExoMars y habría proporcionado comunicación para otras sondas de la superficie de Marte con la Tierra.

Historia

Investigaciones con observatorios espaciales y terrestres han demostrado la presencia de una pequeña cantidad de metano en la atmósfera de Marte que parece variar según la ubicación y el tiempo. [15] [16] [17] Esto puede indicar la presencia de vida microbiana en Marte , o un proceso geoquímico como vulcanismo o actividad hidrotermal . [18] [19] [20] [21]

El desafío de discernir la fuente de metano en la atmósfera de Marte impulsó la planificación independiente por parte de la ESA y la NASA de un orbitador cada uno que llevaría instrumentos para determinar si su formación es de origen biológico o geológico, [22] [23] como así como sus productos de descomposición como formaldehído y metanol .

Orígenes

ExoMars Trace Gas Orbiter nació del nexo entre el buque insignia ExoMars del programa Aurora de la ESA y los conceptos Mars Science Orbiter (MSO) de 2013 y 2016 de la NASA. [24] [25] Se convirtió en una propuesta de colaboración flexible dentro de la NASA y la ESA enviar un nuevo portaaviones a Marte en 2016 como parte de la misión ExoMars liderada por Europa. [9] En el caso de ExoMars, la ESA autorizó alrededor de 500 millones de euros en 2005 para un vehículo explorador y una miniestación; eventualmente esto evolucionó hasta ser entregado por un orbitador en lugar de una etapa de crucero. [26]

Intento de colaboración con la NASA.

El Mars Science Orbiter (MSO) de la NASA se concibió originalmente en 2008 como un proyecto exclusivamente de la NASA cuyo lanzamiento estaba previsto para finales de 2013. [24] [25] Los funcionarios de la NASA y la ESA acordaron aunar recursos y experiencia técnica y colaborar para lanzar un solo orbitador. [27] El acuerdo, denominado Mars Exploration Joint Initiative , se firmó en julio de 2009 y proponía utilizar un lanzacohetes Atlas en lugar de un cohete Soyuz , lo que alteró significativamente el marco técnico y financiero de la misión europea ExoMars. Dado que originalmente se planeó lanzar el rover junto con el TGO, un posible acuerdo requeriría que el rover perdiera suficiente peso para caber a bordo del vehículo de lanzamiento Atlas con el orbitador de la NASA. [28] En lugar de reducir la masa del rover, casi se duplicó cuando la misión se combinó con otros proyectos en un programa de múltiples naves espaciales dividido en dos lanzamientos Atlas V : [27] [29] el ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) fue se fusionó con el proyecto, transportando un módulo de aterrizaje meteorológico cuyo lanzamiento está previsto para 2016. El orbitador europeo llevaría varios instrumentos originalmente destinados al MSO de la NASA, por lo que la NASA redujo los objetivos y se centró en los instrumentos de detección de gases traza atmosféricos para su incorporación en ExoMars Trace Gas de la ESA. Orbitador. [4] [9] [25]

Según el presupuesto para el año fiscal 2013 que el presidente Barack Obama publicó el 13 de febrero de 2012, la NASA puso fin a su participación en ExoMars debido a recortes presupuestarios para pagar los sobrecostos del telescopio espacial James Webb . [30] Con la financiación de la NASA para este proyecto cancelada, la mayoría de los planes de ExoMars tuvieron que ser reestructurados. [31]

Colaboración con Rusia

El 15 de marzo de 2012, el consejo gobernante de la ESA anunció que seguiría adelante con su programa ExoMars en asociación con la agencia espacial rusa Roscosmos , que planeaba aportar dos vehículos de lanzamiento pesado Proton y un sistema adicional de entrada, descenso y aterrizaje al 2020. misión rover. [32] [33] [34] [35] [36]

Según la propuesta de colaboración con Roscosmos, la misión ExoMars se dividió en dos partes: la misión orbitador/aterrizador en marzo de 2016 que incluye el TGO y un módulo de aterrizaje estacionario de 2,4 m (7 pies 10 pulgadas) de diámetro construido por la ESA llamado Schiaparelli , [37] y la misión del rover Rosalind Franklin en 2020 [13] (pospuesta hasta 2022 [38] ). Ambas misiones utilizan un cohete Proton-M .

Lanzamiento

Lanzamiento del cohete portador Proton
Animación de la trayectoria del ExoMars Trace Gas Orbiter
   Sol  ·    Tierra  ·    Marte  ·    Orbitador de gases traza ExoMars
Animación de la trayectoria del ExoMars Trace Gas Orbiter alrededor de Marte
   Marte  ·    Orbitador de gases traza ExoMars

El orbitador de gases traza y el módulo de descenso Schiaparelli completaron las pruebas y se integraron en un cohete Proton en el cosmódromo de Baikonur en Kazajstán a mediados de enero de 2016. [39] El lanzamiento se produjo a las 09:31  UTC del 14 de marzo de 2016. [5] Cuatro cohetes Se produjeron quemaduras en las siguientes 10 horas antes de que se lanzaran el módulo de descenso y el orbitador. [40] Se recibió una señal de la nave espacial a las 21:29 UTC de ese día, confirmando que el lanzamiento fue exitoso y que la nave espacial estaba funcionando correctamente. [41]

Poco después de la separación de las sondas, un telescopio terrestre brasileño registró pequeños objetos en las proximidades de la etapa propulsora superior del Briz-M , lo que sugiere que la etapa Briz-M explotó a pocos kilómetros de distancia, sin dañar el orbitador ni el módulo de aterrizaje. [42] Al informar a los periodistas en Moscú, el jefe de Roscosmos negó cualquier anomalía y puso todos los datos del lanzamiento a disposición para su inspección. [43]

Estado

El módulo de aterrizaje Schiaparelli se separó del orbitador TGO el 16 de octubre de 2016, [44] tres días antes de llegar a Marte, y entró en la atmósfera a 21.000 km/h (13.000 mph; 5,8 km/s). [45] Schiaparelli transmitió alrededor de 600 megabytes de telemetría durante su intento de aterrizaje, [46] [47] antes de impactar la superficie a 540 km/h (340 mph). [48]

El TGO fue inyectado en la órbita de Marte el 19 de octubre de 2016 y se sometió a 11 meses de aerofrenado (de marzo de 2017 a febrero de 2018), reduciendo su velocidad orbital en 3.600 km/h (2.200 mph) y su órbita de una inicial de 98.000 por 200 km (60.890 por 120 millas) hasta 1.050 por 200 km (650 por 120 millas). Los disparos adicionales de propulsores hasta mediados de abril circularon la órbita de la nave espacial a 400 km (250 millas) y las actividades científicas completas comenzaron el 21 de abril de 2018. [49] [50]

Especificaciones

Tamaño del Trace Gas Orbiter (izquierda) con el EDM Schiaparelli adjunto, en comparación con Mars Express (derecha) y un humano promedio
Dimensiones
El autobús central mide 3,2 m × 2 m × 2 m (10,5 pies × 6,6 pies × 6,6 pies) [4]
Propulsión
Motor principal bipropulsor de 424  N (95  lbf ) , utilizado para la inserción y maniobras en la órbita de Marte [4]
Fuerza
Paneles solares de 20 m 2 (220 pies cuadrados) que abarcan 17,5 m (57 pies) de punta a punta y son capaces de girar en un eje; [51] genera alrededor de 2000 W de energía en Marte [4]
Baterías
2 módulos de baterías de iones de litio con aproximadamente 5100 vatios hora de capacidad total para proporcionar energía durante los eclipses sobre la misión principal [4]
Comunicación
Antena de alta ganancia de banda X de 2,2 m (7 pies 3 pulgadas) con un mecanismo de orientación de dos ejes y un amplificador de tubo de ondas progresivas de RF de 65 W para comunicarse con la Tierra [4]
Dos transceptores Electra en banda UHF con una única antena helicoidal para comunicarse con naves espaciales en Marte [4]
Control térmico
Control del eje de guiñada de la nave espacial para garantizar que las tres caras que contienen la carga útil científica permanezcan frías
Masa
3.755 kg (8.278 lb), masa húmeda del orbitador [4]
4.332 kg (9.550 lb), masa húmeda del orbitador más el módulo de aterrizaje Schiaparelli [4]
Carga útil
113,8 kg (251 lb) de instrumentos científicos [4]

Ciencia

Modelo a escala del ExoMars Trace Gas Orbiter exhibido durante el Salón Aeronáutico de París , 2015

El TGO se separó del módulo de aterrizaje de demostración ExoMars Schiaparelli y le habría proporcionado un relé de telecomunicaciones durante 8 días solares (soles) marcianos después del aterrizaje. Luego, el TGO experimentó gradualmente un frenado aerodinámico durante siete meses en una órbita más circular para observaciones científicas y eventualmente proporcionará retransmisión de comunicaciones para el futuro rover Rosalind Franklin y continuará sirviendo como satélite de retransmisión para futuras misiones terrestres. [2] [52] [53]

Actualmente, el instrumento FREND está mapeando los niveles de hidrógeno a una profundidad máxima de 1 m (3 pies 3 pulgadas) debajo de la superficie marciana. [54] [55] Los lugares donde se encuentra hidrógeno pueden indicar depósitos de hielo de agua , que podrían ser útiles para futuras misiones tripuladas.

En particular, la misión está en el proceso de caracterizar la variación espacial, temporal y la localización de fuentes para una amplia lista de gases traza atmosféricos . Si se encuentra metano ( CH 4 ) en presencia de propano ( C 3 H 8 ) o etano ( C 2 H 6 ), sería una fuerte indicación de que hay procesos biológicos involucrados. [56] Sin embargo, si se encuentra metano en presencia de gases como el dióxido de azufre ( SO 2 ), eso sería una indicación de que el metano es un subproducto de procesos geológicos. [57]

Detección
Visualización de una columna de metano encontrada en la atmósfera de Marte durante la temporada de verano del norte

La naturaleza de la fuente de metano requiere mediciones de un conjunto de gases traza para caracterizar los posibles procesos bioquímicos y geoquímicos en funcionamiento. El orbitador tiene una sensibilidad muy alta (al menos) a las siguientes moléculas y sus isotopómeros : agua ( H 2 O ), hidroperoxilo ( HO 2 ), dióxido de nitrógeno ( NO 2 ), óxido nitroso ( N 2 O ), metano ( CH 4) . ), acetileno ( C 2 H 2 ), etileno ( C 2 H 4 ), etano ( C 2 H 6 ), formaldehído ( H 2 CO ), cianuro de hidrógeno ( HCN ), sulfuro de hidrógeno ( H 2 S ), sulfuro de carbonilo ( OCS ), dióxido de azufre ( SO 2 ), cloruro de hidrógeno ( HCl ), monóxido de carbono ( CO ) y ozono ( O 3 ). Las sensibilidades de detección están en niveles de 100 partes por billón, mejoradas a 10 partes por billón o más promediando espectros que podrían tomarse a varios espectros por segundo. [58]

Caracterización
Localización

Instrumentos

Sistema de imágenes de superficie estéreo y en color (CaSSIS)

Al igual que el Mars Reconnaissance Orbiter , el Trace Gas Orbiter es un orbitador híbrido de ciencia y telecomunicaciones. [59] Su masa de carga útil científica es de aproximadamente 113,8 kg (251 lb) y consta de: [4] [60]

NOMAD y ACS proporcionan la cobertura espectral más amplia de los procesos atmosféricos marcianos hasta el momento. [59] [64] Dos veces por órbita, al amanecer y al atardecer local, pueden observar el Sol mientras brilla a través de la atmósfera. Es posible detectar trazas de especies atmosféricas a nivel de partes por mil millones (ppb).

Telecomunicaciones de retransmisión

Una radio Electra , en este caso la de la sonda MAVEN . También se desplegaron radios Electra en el Trace Gas Orbiter y en otros activos de telecomunicaciones de Marte.

Debido a los desafíos de la entrada, el descenso y el aterrizaje, los módulos de aterrizaje en Marte están muy limitados en masa, volumen y potencia. Para las misiones terrestres, esto impone graves limitaciones al tamaño de la antena y la potencia de transmisión, lo que a su vez reduce en gran medida la capacidad de comunicación directa a la Tierra en comparación con las naves espaciales orbitales. Como ejemplo, la capacidad de enlace descendente de los rovers Spirit y Opportunity tenía sólo 1 ⁄ 600 de la capacidad del enlace descendente del Mars Reconnaissance Orbiter . La comunicación por retransmisión aborda este problema al permitir que las naves espaciales de la superficie de Marte se comuniquen utilizando velocidades de datos más altas a través de enlaces de corto alcance con orbitadores cercanos a Marte, mientras que el orbitador asume la tarea de comunicarse a través del enlace de larga distancia de regreso a la Tierra. Esta estrategia de retransmisión ofrece una variedad de beneficios clave para los módulos de aterrizaje en Marte: mayor volumen de retorno de datos, menores requisitos de energía, menor masa del sistema de comunicaciones, mayores oportunidades de comunicación, comunicaciones sólidas para eventos críticos y ayuda a la navegación in situ . [65] La NASA proporcionó un instrumento de navegación y retransmisión de telecomunicaciones Electra para asegurar las comunicaciones entre las sondas y los rovers en la superficie de Marte y los controladores en la Tierra. [66] El TGO proporcionará al rover Rosalind Franklin un relé de telecomunicaciones; También servirá como satélite de retransmisión para futuras misiones terrestres. [2]

Resultados

Imagen del borde de Planum Australe , la capa de hielo del polo sur de Marte, tomada por CaSSIS. Las capas de hielo polvoriento que componen los Depósitos en Capas del Polo Sur (SPLD) están expuestas y son visibles en la imagen.

La nave espacial tomó sus primeras fotografías de la superficie de Marte el 15 de abril de 2018. [67] El primer año de operaciones científicas [68] arrojó una gran cantidad de nuevos datos y descubrimientos científicos, que incluyen: nuevas observaciones de la composición y estructura atmosférica, [ 69] [70] mejora de la nube de hielo de agua durante una tormenta de polvo global, [71] nuevas mediciones de la estructura y densidad térmica atmosférica, [72] estimaciones del período de tiempo del registro climático de la capa de hielo del polo sur, [73] confirmación de que los procesos secos son responsables de Recurring Slope Lineae en el cráter Gale, [74] y mapas de alta resolución de hidrógeno subterráneo poco profundo, aumentando las cantidades conocidas de hielo de agua probablemente enterrado cerca de la superficie. [75]

En abril de 2019, el equipo científico informó sus primeros resultados sobre metano: TGO no había detectado metano alguno, a pesar de que sus datos eran más sensibles que las concentraciones de metano encontradas con Curiosity , Mars Express y observaciones terrestres. [76] [77]

Ver también

Referencias

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