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Misión de retorno de muestras a Marte

Regreso de muestras de Marte: concepto del artista

Una misión de retorno de muestras a Marte ( MSR ) es una misión propuesta para recolectar muestras de rocas y polvo en Marte y devolverlas a la Tierra . [1] Una misión de este tipo permitiría un análisis más extenso que el permitido por los sensores a bordo. [2]

Se han planteado riesgos de contaminación cruzada de la biosfera de la Tierra a partir de muestras marcianas devueltas, aunque se considera que el riesgo de que esto ocurra es bajo. [3]

Los conceptos más recientes son una propuesta de NASA-ESA ; una propuesta de la CNSA , Tianwen-3 ; una propuesta de Roscosmos , Mars-Grunt ; y una propuesta de JAXA , Martian Moons eXploration (MMX). Aunque los planes de la NASA y la ESA para devolver las muestras a la Tierra aún están en la etapa de diseño a partir de 2023 , el rover Perseverance ha recolectado muestras en Marte . [4]

En enero de 2024, un plan propuesto por la NASA fue cuestionado debido a consideraciones de presupuesto y programación, y se emprendió un nuevo plan de revisión. [5] En abril de 2024, la NASA informó que el costo originalmente proyectado de $7 mil millones y el retorno esperado de la muestra de 2033 se actualizó a $11 mil millones más y el retorno de 2040, lo que llevó a la agencia a buscar una mejor solución. [6]

Valor científico

Meteoritos de Marte en el Museo de Historia Natural de Viena

Una vez devueltas a la Tierra, las muestras almacenadas se pueden estudiar con los instrumentos científicos más sofisticados disponibles. Thomas Zurbuchen, administrador asociado de ciencia en la sede de la NASA en Washington, espera que estos estudios permitan nuevos descubrimientos en muchos campos. [7] Las muestras podrán volver a analizarse en el futuro mediante instrumentos que aún no existen. [8]

En 2006, el Grupo de Análisis del Programa de Exploración de Marte identificó 55 investigaciones importantes relacionadas con la exploración de Marte. En 2008, llegaron a la conclusión de que aproximadamente la mitad de las investigaciones "podrían ser abordadas en un grado u otro por MSR", lo que convertía a MSR en "la única misión que haría el mayor progreso hacia toda la lista" de investigaciones. Además, se informó que una fracción significativa de las investigaciones no podría avanzar de manera significativa sin la devolución de muestras. [9]

Una fuente de muestras de Marte son lo que se cree que son meteoritos marcianos , que son rocas expulsadas de Marte que llegaron a la Tierra. En agosto de 2023 , se habían identificado 356 meteoritos como marcianos, de más de 79.000 meteoritos conocidos. [10] Se cree que estos meteoritos provienen de Marte porque sus composiciones elementales e isotópicas son similares a las rocas y gases atmosféricos analizados en Marte. [11]

Historia

Concepto artístico de una misión de retorno de muestras a Marte, 1993

Antes de 1990

El regreso de Marte apareció en la literatura técnica cuando Apolo todavía estaba en desarrollo y la primera nave espacial que pasó por Marte aún no se había lanzado, con la expectativa de que hubiera personas a bordo para el ascenso a Marte. [12] La densidad de la atmósfera de Marte seguía siendo desconocida en ese momento, por lo que el autor de ingeniería de Lockheed informó el análisis de las opciones de trayectoria en un rango de condiciones de resistencia aerodinámica para que un vehículo de lanzamiento de 15 toneladas alcanzara una órbita de encuentro.

En la NASA, el Centro de Investigación Langley y el Laboratorio de Propulsión a Chorro estudiaron conjuntamente las muestras devueltas desde Marte a principios de la década de 1970, durante el tiempo en que se estaba desarrollando la misión Viking Mars Lander , y un autor de Langley señaló que la "superficie a Marte" "Un vehículo de lanzamiento en órbita" necesitaría un alto rendimiento porque su masa "tendría un impacto sustancial en los requisitos de masa y sistemas" para las fases anteriores de la misión, la entrega de ese vehículo a Marte y los preparativos del lanzamiento en Marte. [13]

Durante al menos tres décadas, los científicos han abogado por el regreso de muestras geológicas de Marte. [14] Uno de los primeros conceptos fue la propuesta de Recolección de Muestras para la Investigación de Marte (SCIM), que implicaba enviar una nave espacial en un paso rasante a través de la atmósfera superior de Marte para recolectar muestras de polvo y aire sin aterrizar ni orbitar. [15]

La Unión Soviética consideró una misión de retorno de muestras a Marte, Mars 5NM , en 1975 pero fue cancelada debido a los repetidos fallos del cohete N1 que la habría lanzado. Otra misión de devolución de muestras, Mars 5M (Mars-79), prevista para 1979, fue cancelada debido a su complejidad y problemas técnicos. [dieciséis]

A mediados de los años 1980, los planificadores de la misión del JPL observaron que el MSR había sido "impulsado por presiones presupuestarias y de otro tipo hasta los años 90", y que el viaje de ida y vuelta "impondría grandes necesidades de propulsión". [17] Presentaron un presupuesto de masa teórico para un concepto que lanzaría una carga útil de 9,5 toneladas métricas desde la Tierra, incluyendo un orbitador de Marte para el regreso a la Tierra, y un módulo de aterrizaje con un rover de 400 kg y un "vehículo de regreso a Marte" que tendría una masa de más de 2 toneladas métricas. Llegaría a la Tierra un recipiente de muestra de 20 kg que contendría 5 kg de muestras, incluidos núcleos de calidad científica extraídos de todo tipo de terreno de Marte.

A finales de la década de 1980, varios centros de la NASA contribuyeron a una propuesta de misión Mars Rover Sample Return (MRSR). [18] [19] Como lo describen los autores del JPL, una opción para MRSR se basaba en un único lanzamiento de un paquete de 12 toneladas que incluía un orbitador de Marte y un vehículo de retorno a la Tierra, un rover de 700 kg y un vehículo de ascenso a Marte de 2,7 toneladas. (MAV) que utilizaría propulsión líquida alimentada por bomba para un ahorro de masa significativo. [20] Un paquete de muestra de 20 kg en el MAV debía contener 5 kg de suelo marciano. Posteriormente, un autor del Centro Espacial Johnson se refirió a un lanzamiento desde la Tierra en 1998 con una masa MAV en el rango de 1400 a 1500 kg, incluida una primera etapa alimentada por bomba y una segunda etapa alimentada por presión. [21]

1990 en adelante

El Programa de Exploración de Marte de los Estados Unidos , formado después del fracaso del Mars Observer en septiembre de 1993, apoyó el retorno de muestras de Marte. [22] Glenn J. MacPherson propuso una arquitectura a principios de la década de 2000. [2]

En 1996, se planteó la posibilidad de vida en Marte cuando se pensó que se habían encontrado aparentes microfósiles en el meteorito marciano ALH84001 . Esta hipótesis finalmente fue rechazada, pero generó un renovado interés en el retorno de una muestra de Marte. [23]

A mediados de la década de 1990, la NASA financió al JPL y Lockheed Martin para estudiar arquitecturas asequibles de misiones MSR a pequeña escala, incluido un concepto para devolver 500 gramos de muestras de Marte utilizando un MAV de 100 kg que se encontraría con un pequeño orbitador de Marte para encontrarse y regresar a la Tierra. . [24] Robert Zubrin , un defensor desde hace mucho tiempo de las misiones humanas a Marte, concluyó en 1996 que el mejor enfoque para la MSR sería lanzarlo directamente a la Tierra utilizando propulsores fabricados en Marte, porque un encuentro en la órbita de Marte sería demasiado arriesgado y estimó que un MAV de retorno directo tendría una masa de 500 kg, demasiado pesado para enviarlo a Marte de manera asequible si estuviera completamente alimentado en la Tierra. [25] Los revisores internacionales estuvieron de acuerdo. [26] En 1997, un análisis detallado de la tecnología de cohetes convencionales a pequeña escala (tanto con propulsor sólido como líquido) encontró que los componentes de propulsión conocidos serían demasiado pesados ​​para construir un MAV tan liviano como varios cientos de kilogramos y "La aplicación del diseño de vehículos de lanzamiento principios básicos para el desarrollo de nuevo hardware a pequeña escala". [27]

En 1998, el JPL presentó un diseño para un MAV bipropulsor líquido alimentado a presión, de dos etapas, que pesaría 600 kilogramos o menos en el despegue de Marte, destinado a una misión MSR en 2005. [28] El mismo autor del JPL colaboró ​​en un prototipo teórico de El MAV de etapa de 200 kg estaba destinado a hacerse pequeño mediante el uso de propulsión alimentada por bomba para permitir tanques livianos de propulsor líquido de baja presión y cámaras de empuje compactas de alta presión. [29] Esta ventaja masiva de la operación alimentada por bomba se aplicó a un MAV conceptual de 100 kg que tenía un presupuesto de masa consistente con alcanzar la órbita de Marte utilizando monopropulsor, en parte posible por la simplicidad de un solo tanque, también aplicable al aterrizaje en Marte que normalmente se realiza con monopropulsor. [30] Los propulsores y la bomba de alta presión se habían demostrado previamente en el vuelo de 1994 de un cohete experimental de 21 kg. [31]

A finales de 1999, se preveía que la misión MSR sería lanzada desde la Tierra en 2003 y 2005. [32] Cada uno debía transportar un rover y un vehículo de ascenso a Marte, y un orbitador de Marte suministrado por Francia con capacidad de retorno a la Tierra iba a ser incluido en la misión. 2005. El MAV de 140 kg, "en proceso de ser contratado por la industria" en ese momento, debía incluir telemetría en su primera etapa y propulsores que harían girar el vehículo a 300 RPM antes de la separación de la etapa superior liviana simplificada. Encima de cada MAV, una carga útil esférica de 3,6 kg y 16 cm de diámetro contendría 500 gramos de muestras y tendría células solares para alimentar una baliza de larga duración que facilitaría el encuentro con el orbitador de retorno a la Tierra. El orbitador capturaría los contenedores de muestras entregados por ambos MAV y los colocaría en vehículos de entrada a la Tierra separados. Este concepto de misión, considerado por el Programa de Exploración de Marte de la NASA para devolver muestras en 2008, [33] fue cancelado tras una revisión del programa. [34]

A mediados de 2006, el Grupo de Trabajo Internacional de Arquitectura de Marte para la Devolución de Muestras (iMARS) fue creado por el Grupo de Trabajo Internacional de Exploración de Marte (IMEWG) para delinear los requisitos científicos y de ingeniería de una misión de devolución de muestras a Marte patrocinada y ejecutada internacionalmente en el período 2018-2023. [9]

En octubre de 2009, la NASA y la ESA crearon la Iniciativa Conjunta de Exploración de Marte para continuar con el programa ExoMars , cuyo objetivo final es "el regreso de muestras de Marte en la década de 2020". [35] [36] Se planeó lanzar la primera misión de ExoMars en 2018 [8] [37] con misiones no especificadas para devolver muestras en el período 2020-2022. [38] La cancelación del rover de almacenamiento en caché MAX-C en 2011, y la posterior retirada de la NASA de ExoMars, debido a limitaciones presupuestarias, pusieron fin a la misión. [39] La retirada fue descrita como "traumática" para la comunidad científica. [39]

A principios de 2011, la Encuesta Decenal de Ciencias Planetarias del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. , que estableció las prioridades de planificación de misiones para el período 2013-2022, declaró que una campaña MSR era su misión emblemática de máxima prioridad para ese período. [40] En particular, respaldó la misión propuesta Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) en una forma "sin alcance" (menos ambiciosa). Este plan de misión fue cancelado oficialmente en abril de 2011.

Un requisito clave para la misión del rover Perseverance Mars 2020 fue que ayudara a prepararse para la MSR. [41] [42] [43] El rover aterrizó el 18 de febrero de 2021 en el cráter Jezero para recolectar muestras y almacenarlas en 43 tubos cilíndricos para su posterior recuperación.

Imagen de uno de los tubos de muestra. Se ha observado que su apariencia tiene similitudes con un sable de luz de las películas de Star Wars . [44]

Misión Marte 2020

rover de perseverancia

La misión Mars 2020 aterrizó el rover Perseverance en el cráter Jezero en febrero de 2021. Ha recolectado múltiples muestras y continuará haciéndolo, empaquetándolas en cilindros para su posterior devolución en la Campaña MSR. Jezero parece ser un antiguo lecho de lago, adecuado para muestreos terrestres. [45] [46] [47] También se le asigna la tarea de devolver las muestras directamente al módulo de aterrizaje de retorno de muestras, considerando la posible longevidad de la misión.

Depósito de muestras de Marte en 3 bifurcaciones
En apoyo del retorno de muestras de Marte de la NASA y la ESA, Perseverance está almacenando en caché muestras de rocas, regolito ( suelo marciano ) y atmósfera . En octubre de 2023, se habían llenado 27 de 43 tubos de muestra, [48] incluidas 8 muestras de rocas ígneas, 12 tubos de muestra de rocas sedimentarias, un tubo de muestra de roca carbonatada cementada con sílice , [49] dos tubos de muestra de regolito, una muestra de atmósfera tubo, [50] y tres tubos testigo. [51] Antes del lanzamiento, 5 de los 43 tubos fueron designados "tubos testigo" y se llenaron con materiales que capturarían partículas en el ambiente de Marte. De los 43 tubos, 3 tubos de muestra testigo no serán devueltos a la Tierra y permanecerán en el rover ya que el recipiente de muestra solo tendrá 30 ranuras para tubos. Además, 10 de los 43 tubos se dejan como respaldo en Three Forks Sample Depot. [52]

A partir del 21 de diciembre de 2022, Perseverance inició una campaña para depositar 10 de sus muestras recolectadas en el depósito de respaldo, Three Forks, para garantizar que, si Perseverance tiene problemas, la campaña MSR aún pueda tener éxito.

Propuestas

NASA-ESA

Programa de retorno de muestras de Marte [53]
(obra de arte; 27 de julio de 2022)
Campaña de devolución de muestras de Marte para traer muestras de rocas de Marte de regreso a la Tierra

El plan de la NASA-ESA [54] es devolver muestras mediante tres misiones: una misión de recolección de muestras (Perseverance) lanzada en 2020 y actualmente operativa, una misión de recuperación de muestras (Sample Retrieval Lander + vehículo de ascenso a Marte + brazo de transferencia de muestras + 2 clase Ingenuity helicópteros) y una misión de retorno (Earth Return Orbiter). [55] [56] [57]

Aunque la propuesta de la NASA y la ESA aún se encuentra en la etapa de diseño, la primera etapa de recolección de muestras la está ejecutando el rover Perseverance en Marte y los componentes del módulo de aterrizaje de recuperación de muestras (segunda etapa) están en fase de prueba en la Tierra. [4] [58] [59] Las fases posteriores se enfrentan a importantes sobrecostos a partir de agosto de 2023. [60] [61] A partir de noviembre de 2023, se informa que la NASA ha recortado el programa debido a una posible escasez de fondos. [62] En abril de 2024, la NASA informó que el costo originalmente proyectado de $7 mil millones y el retorno esperado de la muestra de 2033 se actualizó a unos inaceptables $11 mil millones y el retorno de 2040, lo que llevó a la agencia a buscar una mejor solución. [6]

Porcelana

China ha anunciado planes para una misión de retorno de muestras a Marte que se llamará Tianwen-3 . [63] La misión se lanzaría a finales de 2028, con un módulo de aterrizaje y un vehículo de ascenso en un Long March 5 y un orbitador y un módulo de retorno lanzados por separado en un Long March 3B . Las muestras serían devueltas a la Tierra en julio de 2031. [64]

Un plan anterior habría utilizado una nave espacial grande que podría llevar a cabo todas las fases de la misión, incluida la recolección de muestras, el ascenso, el encuentro orbital y el vuelo de regreso. Esto habría requerido el vehículo de lanzamiento súper pesado Gran Marcha 9 . [65] [66] [67] Otro plan implicaba el uso de Tianwen-1 para almacenar en caché las muestras para su recuperación. [68]

Francia

Francia lleva muchos años trabajando para conseguir un retorno de muestras. Esto incluyó conceptos de una instalación de curación de muestras extraterrestres para muestras devueltas y numerosas propuestas. Trabajaron en el desarrollo de un orbitador de retorno de muestras a Marte, que capturaría y devolvería las muestras como parte de una misión conjunta con otros países. [69]

Japón

El 9 de junio de 2015, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) dio a conocer un plan denominado Exploración de Lunas Marcianas (MMX) para recuperar muestras de Fobos o Deimos . [70] [71] La órbita de Fobos está más cerca de Marte y su superficie puede haber capturado partículas expulsadas de Marte. [72] El lanzamiento desde la Tierra está previsto para septiembre de 2024, con un regreso a la Tierra en 2029. [73] Japón también ha mostrado interés en participar en una misión internacional de retorno de muestras a Marte.

Rusia

Un concepto de misión rusa de retorno de muestras a Marte es Mars-Grunt . [74] [75] [76] [77] [78] Adoptó la herencia de diseño de Fobos-Grunt . [75] Los planes de 2011 preveían una arquitectura de dos etapas con un orbitador y un módulo de aterrizaje (pero sin capacidad móvil), [79] con muestras recolectadas alrededor del módulo de aterrizaje mediante un brazo robótico. [74] [80]

Contaminación de espalda

Cápsula de retorno de muestras OSIRIS-REx en Utah desde el asteroide 101955 Bennu

Aún no se ha resuelto si existen formas de vida en Marte . Por lo tanto, MSR podría potencialmente transferir organismos viables a la Tierra, lo que resultaría en una retrocontaminación : la introducción de organismos extraterrestres en la biosfera de la Tierra . El consenso científico es que el potencial de efectos a gran escala, ya sea a través de patogénesis o alteración ecológica, es pequeño. [9] [81] [82] [83] [84] Las muestras devueltas se tratarían como potencialmente biopeligrosas hasta que los científicos decidan que son seguras. El objetivo es que la probabilidad de liberación de una partícula de Marte sea inferior a una entre un millón. [81]

La misión propuesta de la NASA para devolver muestras a Marte no será aprobada por la NASA hasta que se haya completado el proceso de la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA). [85] Además, según los términos del Artículo VII del Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre y otros marcos legales, si se produjera una liberación de organismos, la nación liberadora sería responsable de los daños resultantes. [86]

La misión de devolución de muestras tendría la tarea de evitar el contacto entre el entorno marciano y el exterior de los contenedores de muestras. [81] [85]

Para eliminar el riesgo de fallo del paracaídas, el plan actual es utilizar el sistema de protección térmica para amortiguar la cápsula en caso de impacto (a velocidad terminal ). El contenedor de muestra estaría diseñado para resistir la fuerza del impacto. [85] Para recibir las muestras devueltas, la NASA propuso una instalación de contención de nivel 4 de bioseguridad personalizada , la instalación receptora de devolución de muestras de Marte (MSRRF). [87]

Otros científicos e ingenieros, en particular Robert Zubrin de la Mars Society , argumentaron en el Journal of Cosmology que el riesgo de contaminación es funcionalmente cero, lo que deja poco de qué preocuparse. Citan, entre otras cosas, la falta de incidentes conocidos, aunque se han intercambiado billones de kilogramos de material entre Marte y la Tierra a través de impactos de meteoritos. [88]

El Comité Internacional Contra el Retorno de Muestras de Marte (ICAMSR) es un grupo de defensa liderado por Barry DiGregorio, que hace campaña contra una misión de retorno de muestras a Marte. Si bien la ICAMSR reconoce una baja probabilidad de peligros biológicos, considera que las medidas de contención propuestas no son seguras. ICAMSR aboga por más estudios in situ en Marte y pruebas preliminares de riesgo biológico en la Estación Espacial Internacional antes de que las muestras sean traídas a la Tierra. [89] [90] DiGregorio acepta la teoría de la conspiración de un encubrimiento de la NASA con respecto al descubrimiento de vida microbiana por los módulos de aterrizaje Viking de 1976 . [91] [92] DiGregorio también apoya la opinión de que varios patógenos, como los virus comunes, se originan en el espacio y probablemente causaron algunas extinciones masivas y pandemias . [93] [94] Estas afirmaciones que conectan enfermedades terrestres y patógenos extraterrestres han sido rechazadas por la comunidad científica. [93]

Ver también

Referencias

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