La misión de retorno de muestras a Marte de la NASA-ESA es una propuesta de misión de retorno de muestras a Marte (MSR) de clase Flagship [3] para recolectar muestras de rocas y suelo marcianos en 43 tubos de titanio pequeños, cilíndricos y del tamaño de un lápiz, y devolverlos a la Tierra alrededor de 2033. [4]
El plan de la NASA y la ESA , aprobado en septiembre de 2022, es devolver muestras mediante tres misiones: una misión de recolección de muestras ( Perseverance ), una misión de recuperación de muestras (Sample Retrieval Lander + Mars Ascent Vehicle + Sample Transfer Arm + 2 helicópteros de clase Ingenuity ) y una misión de retorno (Earth Return Orbiter). [5] [6] [7] La misión espera resolver la cuestión de si Marte alguna vez albergó vida .
Aunque la propuesta todavía está en la etapa de diseño, el rover Perseverance actualmente está recolectando muestras en Marte y los componentes del módulo de aterrizaje de recuperación de muestras están en fase de prueba en la Tierra. [8] [9]
Después de una revisión del proyecto que criticó su costo y complejidad, [10] [11] la NASA anunció que el proyecto estaba "en pausa" a partir del 13 de noviembre de 2023. [12] El 22 de noviembre de 2023, se informó que la NASA había reducido la misión de retorno de muestras a Marte debido a una posible escasez de fondos. [13] En abril de 2024, en una actualización de la NASA por teleconferencia, el administrador de la NASA enfatizó que se continuaba con el compromiso de recuperar las muestras. Sin embargo, bajo el perfil de misión vigente en ese momento, el costo de $11 mil millones era inviable, por lo tanto, la NASA recurriría a la industria y al Laboratorio de Propulsión a Chorro para formar un nuevo perfil de misión, más factible desde el punto de vista fiscal, para recuperar las muestras, con respuestas esperadas para el otoño de 2024. [14] [15] [16]
En el verano de 2001, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) solicitó conceptos y propuestas de misión a equipos liderados por la industria ( Boeing , Lockheed Martin y TRW ). [17] Los requisitos científicos incluían al menos 500 gramos (18 oz) de muestras, movilidad del rover para obtener muestras al menos a 1 kilómetro (0,62 mi) del lugar de aterrizaje y perforación para obtener una muestra a una profundidad de 2 metros (6 pies 7 pulgadas). Ese invierno siguiente, el JPL realizó solicitudes similares a ciertos departamentos de ingeniería aeroespacial de universidades ( MIT y la Universidad de Michigan ).
También en 2001, se realizó un conjunto separado de estudios industriales para el vehículo de ascenso a Marte (MAV) debido a la singularidad y el papel clave del MAV para MSR. [18] La Figura 11 en esta referencia resume la necesidad de pruebas de vuelo del MAV a gran altitud sobre la Tierra, con base en el análisis de Lockheed Martin de que el riesgo de falla de la misión es "extremadamente alto" si los componentes del vehículo de lanzamiento solo se prueban por separado.
En 2003, el JPL informó que los conceptos de misión de 2001 se habían considerado demasiado costosos, lo que llevó al estudio de un plan más asequible aceptado por dos grupos de científicos, un nuevo Grupo de Dirección Científica del MSR y el Grupo de Análisis del Programa de Exploración de Marte (MEPAG). [19] En lugar de un explorador y una perforación profunda, una pala en el módulo de aterrizaje excavaría 20 centímetros (7,9 pulgadas) de profundidad y colocaría múltiples muestras juntas en un contenedor. Después de cinco años de desarrollo tecnológico, el MAV se probaría en vuelo dos veces sobre la Tierra antes de la PDR (Revisión Preliminar del Diseño) de la misión en 2009.
Basándose en el plan simplificado de la misión, que suponía un lanzamiento desde la Tierra en 2013 y dos semanas en Marte para un regreso en 2016, se inició el desarrollo de tecnología para asegurar con alta fiabilidad que los potenciales microbios de Marte no contaminarían la Tierra, y también que las muestras de Marte no se contaminarían con materiales biológicos de origen terrestre. [20] El contenedor de muestras estaría limpio por fuera antes de partir de Marte, y se instalaría en el MAV dentro de un "garaje para MAV limpio de la Tierra".
En 2004, el JPL publicó una actualización del plan de 2003. [21] El MSR utilizaría el nuevo sistema de aterrizaje con grúa aérea de gran tamaño en desarrollo para el rover del Laboratorio Científico de Marte (posteriormente llamado Curiosity ). Se formó una Junta de Tecnología del MSR y se observó que el uso de un rover podría volver al plan del MSR, a la luz del éxito de los rovers Spirit y Opportunity que llegaron a principios de 2004. Un cohete de ascenso de 285 kilogramos (628 libras) llevaría 0,5 kilogramos (1,1 libras) de muestras dentro de una carga útil de 5 kilogramos (11 libras), la Muestra Orbitante (OS). El MAV transmitiría suficiente telemetría para reconstruir los eventos en caso de falla en el camino hacia la órbita de Marte.
En 2005, un rover había regresado al plan MSR, con un taladro de núcleo de roca a la luz de los resultados de los descubrimientos del Mars Exploration Rover . [22] El desarrollo de tecnología enfocada comenzaría antes de fines de 2005 para la misión PDR en 2009, seguida por el lanzamiento desde la Tierra en 2013. Las tecnologías relacionadas en desarrollo incluían avances potenciales para la llegada a Marte (navegación y propulsión de descenso) e implementación de tecnología de vehículo de lanzamiento líquido alimentado por bomba en una escala lo suficientemente pequeña para un MAV. [23]
A fines de 2005, un análisis revisado por pares mostró que las trayectorias de ascenso a la órbita de Marte diferirían dependiendo de la propulsión líquida o sólida, en gran parte porque los motores de cohetes sólidos pequeños se queman más rápido, lo que requiere una trayectoria de ascenso más pronunciada para evitar el exceso de resistencia atmosférica, mientras que la propulsión líquida de combustión más lenta podría aprovechar trayectorias más eficientes hacia la órbita. [24]
A principios de 2006, el Centro Marshall de Vuelos Espaciales señaló la posibilidad de que un vehículo explorador científico almacenara las muestras en Marte y, posteriormente, se enviara un minivehículo explorador junto con el MAV en un módulo de aterrizaje de retorno de muestras, en cuyo caso, el minivehículo explorador o el vehículo explorador científico entregarían las muestras al módulo de aterrizaje para cargarlas en el MAV. [25] Un MAV de dos etapas de 250 kilogramos (550 libras) de combustible sólido sería expulsado en gas desde un tubo de lanzamiento con su carga útil de 5 kilogramos (11 libras), un paquete esférico de 16 centímetros (6,3 pulgadas) de diámetro que contiene las muestras. La segunda etapa enviaría telemetría y sus propulsores de dirección utilizarían combustible de hidracina con aditivos. Los autores esperaban que el MAV necesitara múltiples pruebas de vuelo a gran altitud sobre la Tierra.
En una publicación revisada por pares de 2007 se describió la prueba de captura autónoma de muestras para el encuentro en la órbita de Marte. [26] Se realizaron pruebas de flotación libre a bordo de una aeronave de la NASA utilizando una trayectoria de vuelo parabólica de "gravedad cero".
En 2007, Alan Stern, entonces administrador asociado de la NASA para la ciencia, se mostró firmemente a favor de completar el MSR antes y pidió al JPL que incluyera el almacenamiento de muestras en la misión del Laboratorio Científico de Marte (posteriormente llamada Curiosity). [27] Un equipo del Centro de Investigación Ames estaba diseñando un dispositivo de almacenamiento de muestras del tamaño de un disco de hockey para ser instalado como carga adicional en el MSL. [28]
Un análisis de revisión en 2008 comparó el ascenso a Marte con el ascenso a la Luna, señalando que el MAV no sólo sería técnicamente desalentador, sino también un desafío cultural para la comunidad planetaria, dado que el ascenso a la Luna se ha realizado utilizando tecnología conocida, y que las misiones científicas generalmente dependen de una propulsión probada para correcciones de curso y maniobras de inserción en órbita, similar a lo que los satélites terrestres hacen rutinariamente. [29]
A principios de 2009, la oficina de proyectos de Tecnología de Propulsión Espacial del Centro de Investigación Glenn (GRC) de la NASA presentó una clasificación de seis opciones de MAV, concluyendo que un cohete sólido de dos etapas de 285 kilogramos (628 libras) con telemetría continua sería el mejor para entregar un paquete de muestra de 5 kilogramos (11 libras) a la órbita de Marte. [30] Se observó que un MAV bipropelente alimentado por bomba de una sola etapa [31] era menos pesado y ocupó el segundo lugar.
Más tarde, en 2009, el tecnólogo jefe de la Dirección de Exploración de Marte en el JPL se refirió a un taller de 2008 sobre tecnologías MSR en el Instituto Lunar y Planetario , y escribió que los desafíos tecnológicos particularmente difíciles incluían el MAV, la adquisición y manejo de muestras y la protección planetaria posterior , luego comentó además que "El MAV, en particular, se destaca como el sistema con mayor riesgo de desarrollo, lo que indica la necesidad de un inicio temprano" que conduzca a pruebas de vuelo antes de la revisión preliminar del diseño (PDR) del módulo de aterrizaje que entregaría el MAV. [32]
En octubre de 2009, la NASA y la ESA establecieron 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". [33] [34] La primera misión de ExoMars estaba prevista para su lanzamiento en 2018 [35] [36] con misiones no especificadas para traer muestras en el período 2020-2022. [37] Como se informó al Comité Científico del Consejo Asesor de la NASA (NAC-SC) [38] a principios de 2010, MEPAG estimó que MSR "costará entre 8 y 10 mil millones de dólares, y es obvio que la NASA y la ESA no pueden financiar esta cantidad por sí solas". [39] 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. [40] La retirada fue descrita como "traumática" para la comunidad científica. [40]
En 2010-2011, el programa de Tecnología de Propulsión Espacial (ISPT) de la NASA en el Centro de Investigación Glenn recibió propuestas y financió a socios de la industria para estudios de diseño de MAV con opciones de contrato para comenzar el desarrollo de la tecnología, al mismo tiempo que se consideraban las necesidades de propulsión para las naves espaciales de regreso a la Tierra. [41] Se observó que la inserción de la nave espacial en la órbita de Marte y su posterior regreso a la Tierra requería un gran total de cambios de velocidad, lo que llevó a la conclusión de que la propulsión eléctrica solar podría reducir el riesgo de la misión al mejorar los márgenes de masa, en comparación con el uso previamente asumido de propulsión química junto con el frenado aerodinámico en Marte. [42] El equipo de ISPT también estudió escenarios para pruebas de vuelo de MAV sobre la Tierra y recomendó dos pruebas de vuelo antes de la PDR de la misión MSR, considerando la baja probabilidad histórica de éxito inicial para los nuevos vehículos de lanzamiento. [43]
El programa de misiones potenciales de la NASA y la ESA preveía lanzamientos desde la Tierra en 2018, 2022 y 2024 para enviar respectivamente un rover de almacenamiento de muestras, un orbitador de retorno de muestras y un módulo de aterrizaje de recuperación de muestras para una llegada a la Tierra en 2027, con el desarrollo del MAV comenzando en 2014 después de dos años de desarrollo de tecnología identificados por los estudios de diseño del MAV. [44] El programa ISPT resumió un año de progreso en la tecnología de propulsión para mejorar la llegada a Marte, el ascenso a Marte y el regreso a la Tierra, afirmando que la primera prueba de vuelo de un modelo de ingeniería MAV tendría que ocurrir en 2018 para cumplir con la fecha de lanzamiento de 2024 para el módulo de aterrizaje de recuperación de muestras. [45]
Los estudios de la industria MAV de 2011 fueron realizados por Lockheed-Martin en equipo con ATK; Northrop-Grumman; y Firestar Technologies, para entregar una esfera de muestra de 5 kg (11 lb) y 16 cm (6,3 pulgadas) de diámetro a la órbita de Marte. [46] El equipo de Lockheed-Martin-ATK se centró en una primera etapa de propulsante sólido con propulsante sólido o líquido para la etapa superior, estimó la masa del MAV en el rango de 250 a 300 kg (550 a 660 lb) e identificó tecnologías para el desarrollo para reducir la masa. [47] Northrop-Grumman (la antigua TRW) estimó de manera similar una masa por debajo de los 300 kg utilizando bipropelentes líquidos alimentados a presión para ambas etapas, [48] y tenía planes para un mayor progreso. [49] Firestar Technologies describió un diseño de MAV de una sola etapa que tiene combustible líquido y oxidante mezclados juntos en un tanque de propulsante principal. [50]
A principios de 2011, el Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos, en su Encuesta Decenal de Ciencia Planetaria , que estableció las prioridades de planificación de misiones para el período 2013-2022, declaró que la campaña MSR era su misión insignia de máxima prioridad para ese período. [51] [52] En particular, respaldó la propuesta de misión Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) en una forma "reducida" (menos ambiciosa). Este plan de misión se canceló oficialmente en abril de 2011. El plan cancelado en 2011 por razones presupuestarias era que la NASA y la ESA construyeran cada una un rover para enviarlo juntas en 2018. [53]
En 2012, las perspectivas de la MSR se ralentizaron aún más debido a un recorte del 38 por ciento en el presupuesto del programa Marte de la NASA para el año fiscal 2013, lo que generó controversia entre los científicos sobre si la exploración de Marte podría prosperar con una serie de misiones de pequeños exploradores. [54] Se convocó un Grupo de Planificación del Programa Marte (MPPG) como una de las respuestas a los recortes presupuestarios. [55]
A mediados de 2012, ocho semanas antes de que Curiosity llegara a Marte, el Instituto Lunar y Planetario organizó un taller de tres días patrocinado por la NASA [56] para reunir conocimientos e ideas de una amplia gama de profesionales y estudiantes, como aportes para ayudar a la NASA a reformular el Programa de Exploración de Marte, en respuesta a la última Encuesta Decenal Planetaria [51] que priorizó la MSR. Un informe resumido señaló que el taller se realizó en respuesta a los recientes recortes presupuestarios profundos, se recibieron 390 presentaciones, asistieron 185 personas y acordaron que se podrían realizar "pasos creíbles hacia la MSR" con una financiación reducida. [57] El rover MAX-C (finalmente implementado como Mars 2020 , Perseverance ) se consideró fuera del alcance financiero en ese momento, por lo que el informe señaló que el progreso hacia la MSR podría incluir una misión orbital para probar el encuentro autónomo, o un módulo de aterrizaje de clase Phoenix para demostrar un aterrizaje preciso mientras se entrega un MAV como demostración de tecnología. El taller consistió principalmente en tres grupos de discusión sobre tecnología y capacidades facilitadoras, conceptos científicos y de misión, y exploración humana y precursores.
El Panel de Tecnología documentó debates de amplio alcance [58] , que sugería inversiones para mejorar la perforación y los vehículos exploradores "pequeños y hermosos" con un "énfasis en las capacidades creativas de reducción de masa". El panel afirmó que la "tecnología funcional de los MAV no es nueva", pero que el entorno de Marte plantearía desafíos, y se refirió a las tecnologías de los MAV como "un riesgo para la mayoría de los escenarios de retorno de muestras de cualquier rango de costo". La tecnología de los MAV se abordó en numerosas presentaciones escritas [59] [60] [61] [62] [63] al taller, una de las cuales describía el ascenso a Marte como "una tecnología que va más allá de lo probado" (velocidad y aceleración en combinación para cohetes pequeños) y un "enorme desafío para el sistema social", haciendo referencia a un dilema de "Catch-22" "en el que no hay tolerancia para la nueva tecnología si el retorno de muestras está en el horizonte de corto plazo, y no hay financiación para los MAV si el retorno de muestras está en el horizonte lejano". [61]
En septiembre de 2012, la NASA anunció su intención de estudiar más a fondo las estrategias de MSR según lo descrito por el MPPG, incluido un escenario de lanzamiento múltiple, un escenario de lanzamiento único y un escenario de múltiples rovers, para una misión que comenzaría en 2018. [64] [65] [66] [67] Un " rover de búsqueda " recuperaría los depósitos de muestras y los entregaría a un vehículo de ascenso a Marte (MAV). En julio de 2018, la NASA contrató a Airbus para producir un concepto de "rover de búsqueda". [68] A fines de 2012, se determinó que el concepto de rover MAX-C para recolectar muestras podría implementarse para un lanzamiento en 2020 ( Marte 2020 ), dentro de los fondos disponibles utilizando repuestos y planes de misión desarrollados para el rover Curiosity de la NASA en Marte [69]
En 2013, el Centro de Investigación Ames de la NASA propuso que un Falcon Heavy de SpaceX podría entregar dos toneladas de carga útil a la superficie de Marte, incluida una nave espacial de regreso a la Tierra que sería lanzada desde Marte por un MAV de una sola etapa de una tonelada utilizando bipropulsores líquidos alimentados por turbobombas. [70] [71] [72] El aterrizaje exitoso del rover Curiosity directamente sobre sus ruedas (agosto de 2012) motivó al JPL a considerar una nueva opción para llevar el MAV en la parte posterior de un rover. [73] Un MAV de 300 kg totalmente guiado (como el sólido de dos etapas de Lockheed de 2011 [46] [47] ) evitaría la necesidad de un rover de búsqueda de ida y vuelta. Un MAV más pequeño de 150 kg permitiría que un rover también incluya la recolección de muestras mientras usa el legado de MSL para reducir el costo de la misión y el tiempo de desarrollo, colocando la mayor parte del riesgo de desarrollo en el MAV. El MAV de 150 kg se aligeraría al hacerlo girar antes de la separación de etapas, aunque la falta de datos de telemetría de la etapa superior no guiada estabilizada por giro se señaló como una desventaja.
Más tarde, el JPL presentó más detalles del concepto de mini-MAV de 150 kg de combustible sólido de 2012, en un resumen de esfuerzos pasados seleccionados. [74] La ausencia de datos de telemetría durante la pérdida de 1999 del Mars Polar Lander había puesto énfasis en las "comunicaciones de eventos críticos", posteriormente aplicadas a MSR. Luego, después del aterrizaje del MSL en 2012, se revisaron los requisitos con el objetivo de reducir la masa del MAV. Se cuestionó la tolerancia a fallas únicas y los datos de telemetría continuos a la órbita de Marte. Para los 500 gramos (1,1 lb) de muestras, se consideró posible una carga útil de 3,6 kg (7,9 lb) en lugar de 5 kg (11 lb). El concepto de mini-MAV de 2012 tenía aviónica de una sola cuerda, además de la etapa superior estabilizada por giro sin telemetría.
En 2014-2015, el JPL analizó muchas opciones para el ascenso a Marte, incluidos los propulsantes sólidos, híbridos y líquidos, para cargas útiles que oscilaban entre 6,5 kg y 25 kg. [75] Cuatro conceptos de MAV que usaban propulsante sólido tenían dos etapas, mientras que se consideraron una o dos etapas para propulsantes híbridos y líquidos. Se puntuaron siete opciones por diez atributos ("figuras de mérito"). Un híbrido de una sola etapa recibió la puntuación general más alta, incluyendo la mayor cantidad de puntos por reducir el costo y por separado por reducir la complejidad, con la menor cantidad de puntos por la preparación tecnológica. El segundo puesto en general lo ocupó un MAV de bipropulsante líquido de una sola etapa que usa bombas eléctricas. Un diseño de bipropulsante alimentado a presión fue el tercero, con la mayor cantidad de puntos por la preparación tecnológica. Las opciones de propulsante sólido tuvieron puntuaciones más bajas, en parte debido a que recibieron muy pocos puntos por flexibilidad. El JPL y el Centro de Investigación Langley de la NASA advirtieron que el alto empuje y los cortos tiempos de combustión de los motores de cohetes sólidos darían como resultado un agotamiento temprano a baja altitud con una atmósfera sustancial restante para avanzar a números de Mach altos, lo que plantea problemas de estabilidad y control. [74] [76] Con el consentimiento del Director del Programa Marte, en enero de 2016 se tomó la decisión de concentrar los limitados fondos de desarrollo tecnológico en el avance de un MAV con propulsor híbrido (oxidante líquido con combustible sólido). [77]
A partir de 2015, un nuevo esfuerzo para la protección planetaria trasladó la función de protección planetaria hacia atrás desde la superficie de Marte al Orbitador de Retorno de Muestras, para "romper la cadena" en vuelo. [78] Se estudiaron y probaron conceptos de soldadura fuerte, embolsado y esterilización por plasma, con un enfoque principal en la soldadura fuerte a partir de 2016.
En abril de 2018, la NASA y la ESA firmaron una carta de intenciones que podría proporcionar una base para una misión de retorno de muestras a Marte. [79] [80] El acuerdo [81] se fechó durante la 2.ª Conferencia Internacional de Retorno de Muestras de Marte en Berlín (Alemania). [82] El programa de la conferencia se archivó junto con 125 presentaciones técnicas que cubrían la ciencia de las muestras (hallazgos previstos, selección del sitio, recolección, curación, análisis) y la implementación de la misión (llegada a Marte, vehículos exploradores, perforadoras de roca, robótica de transferencia de muestras, ascenso a Marte, encuentro en órbita autónoma, propulsión interplanetaria, llegada a la Tierra, protección planetaria). [83] En una de las muchas presentaciones, un equipo científico internacional señaló que sería necesario recolectar muestras de rocas sedimentarias para buscar vida antigua. [84] Una presentación conjunta de la NASA y la ESA describió la arquitectura de la misión de referencia, incluida la recolección de muestras por parte del rover Mars 2020 derivado del concepto MAX-C , un módulo de aterrizaje de recuperación de muestras y un orbitador de retorno a la Tierra. [85] Una propuesta alternativa fue utilizar un Falcon Heavy de SpaceX para reducir el costo de la misión y al mismo tiempo entregar más masa a Marte y traer más muestras. [86] Otra propuesta a la conferencia de Berlín señaló que el costo de la misión podría reducirse mediante el avance de la tecnología MAV para permitir un MAV significativamente más pequeño para una carga útil de muestra determinada. [87]
En julio de 2019 se propuso una arquitectura de misión. [88] [89] En 2019, los autores del JPL resumieron la recuperación de muestras, incluido un rover de búsqueda de muestras, opciones para colocar 20 o 30 tubos de muestra en una carga útil de 12 kilogramos (26 lb) en un MAV de una sola etapa a órbita (SSTO) de 400 kilogramos (880 lb) que usaría propulsores híbridos, un oxidante líquido con un combustible de cera sólida, que se había priorizado para el desarrollo de tecnología de propulsión desde 2016. [90] Mientras tanto, el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) presentó una comparación de propulsión sólida e híbrida para el MAV. [91] Más tarde en 2019, MSFC y JPL habían colaborado en el diseño de un MAV de propulsor sólido de dos etapas, y notaron que una etapa superior giratoria no guiada podría reducir la masa, pero este enfoque se abandonó en ese momento debido al potencial de variaciones orbitales. [92]
A principios de 2020, el JPL actualizó el plan general de la misión para un paquete de muestra en órbita (del tamaño de una pelota de baloncesto [93] ) que contiene 30 tubos, mostrando opciones de MAV sólido e híbrido en el rango de 400 a 500 kilogramos (880 a 1100 lb). [94] Añadiendo detalles, MSFC presentó diseños para los diseños de MAV sólido e híbrido, para una masa objetivo de 400 kilogramos (880 lb) en el despegue de Marte para entregar 20 o 30 tubos de muestra en un paquete de carga útil de 14 a 16 kilogramos (31 a 35 lb). [95] [96] En abril de 2020, se presentó una versión actualizada de la misión. [97] La decisión de adoptar un MAV de cohete sólido de dos etapas fue seguida por el Ciclo de Análisis de Diseño 0.0 en la primavera de 2020, que refinó el MAV a un diseño de 525 kilogramos (1157 lb) con guía para ambas etapas, lo que llevó a la reconsideración de una segunda etapa estabilizada por giro no guiada para ahorrar masa. [98]
En octubre de 2020, la Junta de Revisión Independiente (IRB) del MSR publicó su informe [99] recomendando en general que el programa MSR procediera, luego, en noviembre, la NASA respondió a las recomendaciones detalladas del IRB. [100] El IRB señaló que el MSR tendría ocho desafíos por primera vez, incluido el primer lanzamiento desde otro planeta, el encuentro orbital autónomo y el manejo robótico de muestras con sellado para "romper la cadena". [101] El IRB advirtió que el MAV será diferente a cualquier vehículo de lanzamiento anterior, y la experiencia muestra que cuanto más pequeño es un vehículo de lanzamiento, más probabilidades hay de que termine siendo más pesado de lo diseñado. [102] Refiriéndose a la etapa superior no guiada del MAV, el IRB afirmó la importancia de la telemetría para eventos críticos, "para permitir la reconstrucción útil de una falla durante el vuelo de la segunda etapa". [103] El IRB indicó que el costo más probable de la misión sería de $ 3.8- $ 4.4 mil millones. [104] Como se informó al NAC-SC [38] en abril de 2021, el Comité Asesor de Ciencias Planetarias (PAC) [105] estaba "muy preocupado por el alto costo" de la MSR y quería estar seguro de que las consideraciones de astrobiología se incluirían en los planes para los laboratorios de muestras devueltas. [106]
A principios de 2022, MSFC presentó el diseño de MAV guiado-no guiado para una reducción de masa de 125 kilogramos (276 lb) y documentó los desafíos restantes, incluidas las complejidades aerodinámicas durante la combustión de la primera etapa y el avance hasta la altitud, el deseo de ubicar los propulsores de dirección de hidracina más lejos del centro de masa y la separación de etapas sin rotación de despegue. [107] Si bien la separación de etapas y el posterior giro se probarían en vuelo, los autores señalaron que sería ideal probar en vuelo un MAV completo similar al vuelo, pero habría un gran costo.
En abril de 2022, las Academias Nacionales de los Estados Unidos publicaron el informe de la Encuesta Decenal de Ciencias Planetarias para 2023-2032, una revisión de los planes y prioridades para los próximos diez años, después de muchas reuniones de comités a partir de 2020, con la consideración de más de 500 libros blancos presentados de forma independiente, más de 100 relacionados con Marte, incluidos comentarios sobre ciencia y tecnología para el retorno de muestras. [108] El documento publicado señaló el plan de 2017 de la NASA para una campaña de retorno de muestras "enfocada y rápida" con la participación esencial de la ESA, luego recomendó: "La máxima prioridad científica de los esfuerzos de exploración robótica de la NASA en esta década debe ser la finalización del retorno de muestras de Marte lo antes posible". [109] Los libros blancos decenales enfatizaron la importancia del MSR para la ciencia, [110] incluyeron una descripción de la implementación del MSR, [111] y señalaron que el MAV ha sido subestimado a pesar de necesitar un rendimiento de vuelo más allá del estado del arte para cohetes pequeños, [112] necesita un esfuerzo de desarrollo sostenido, [113] y que el desarrollo de tecnología para un MAV más pequeño tiene el potencial de reducir el costo de la misión MSR. [114] Las reuniones del comité de la Encuesta Decenal albergaron a numerosos oradores invitados, en particular una presentación del IRB del MSR. [115]
A partir de marzo de 2022, se planearon módulos de aterrizaje separados para el rover de búsqueda y el MAV porque juntos serían demasiado grandes y pesados para un solo módulo de aterrizaje, luego un plan de ahorro de costos a partir de julio fue enviar solo un módulo de aterrizaje con el MAV y confiar en el rover Perseverance para pasar tubos de muestra al MAV en ausencia de un rover de búsqueda. [5] [116] Dos nuevos helicópteros livianos en el módulo de aterrizaje MAV servirían como respaldo para mover las muestras en Marte. [117]
A principios de 2023 se reveló que el equipo de AeroVironment que creó Ingenuity había estado imaginando un "helicóptero de recogida de muestras de Marte" desde al menos 2021 para volar en la delgada atmósfera de Marte. [118] En una reunión pública sobre el presupuesto en marzo, la NASA señaló el alto costo del MSR y había comenzado a reunir una segunda junta de revisión independiente (MSR IRB-2) para evaluar el diseño, el cronograma y la financiación necesaria. [119] El IRB-2 comenzó a funcionar en mayo de 2023 y publicó su informe en septiembre de 2023. [120] [121]
En enero de 2024, un plan propuesto por la NASA relacionado fue cuestionado debido a consideraciones de presupuesto y programación, y se emprendió un nuevo plan de revisión. [122] El Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica contrastó el desafío del costo de la misión con el valor científico de las muestras devueltas, señalando que se podrían realizar múltiples misiones científicas in situ por el costo del MSR, pero que un microscopio electrónico, por ejemplo, sería demasiado grande para enviarlo a Marte. [123] Una respuesta en marzo describió el alto costo de la misión como relacionado con el tamaño del MAV y su enorme módulo de aterrizaje, ofreciendo que la innovación podría conducir a un MAV más pequeño. [124]
En abril de 2024, la NASA respondió formalmente al informe del IRB-2 con un informe del MIRT (Equipo de respuesta del IRB del MSR) que destacó el valor de ahorro de costos de un MAV más pequeño. [125] El 15 de abril de 2024, el administrador de la NASA Bill Nelson y la directora de la misión científica Nicola Fox anunciaron la respuesta de la organización a la investigación de la junta de revisión independiente de septiembre de 2023, en particular el hallazgo de que el Retorno de Muestras de Marte con su diseño y costo actuales, originalmente estimado en $ 7 mil millones con el reingreso a la Tierra para 2033, ahora costaría más de $ 11 mil millones inaceptables y terminaría en el reingreso a la Tierra no antes de 2040. [14] [16] En respuesta, Nelson y Fox declararon que la NASA haría solicitudes a la industria al día siguiente para que presentaran alternativas que probablemente utilizarían arquitecturas de misión más probadas con herencias más largas y cumplirían con las recomendaciones de la junta, con respuestas preferidas para el otoño de 2024. También dijeron que gastarían $ 310 millones en el programa para el año fiscal 2024. [14] El 22 de abril, se celebró una reunión pública para explicar la solicitud del 16 de abril de la NASA de propuestas para revisar arquitecturas de misión alternativas. [126]
En junio de 2024, tras la decisión de la agencia de abrir la misión a propuestas de la industria, se seleccionaron siete empresas para avanzar en un estudio de misión de 90 días. [127] [128]
La misión Mars 2020 aterrizó el rover Perseverance , que está almacenando muestras que serán devueltas a la Tierra más tarde.
La misión Mars 2020 hizo aterrizar al rover Perseverance en el cráter Jezero en febrero de 2021. Recogió múltiples muestras y las empaquetó en cilindros para su posterior retorno. Jezero parece ser un antiguo lecho de lago, adecuado para la toma de muestras terrestres. [129] [130] [131]
A principios de agosto de 2021, Perseverance hizo su primer intento de recolectar una muestra terrestre perforando un núcleo del tamaño de un dedo de roca marciana. [132] Este intento no tuvo éxito. Se produjo un pozo de perforación, como lo indicaron las lecturas del instrumento y lo documentó una fotografía del pozo de perforación. Sin embargo, el contenedor de muestra resultó estar vacío, lo que indica que la roca muestreada no era lo suficientemente robusta como para producir un núcleo sólido. [133]
A finales de agosto y principios de septiembre de 2021 se tomó una segunda muestra de roca que se consideró que tenía más posibilidades de producir una muestra suficientemente robusta. Después de desgastar la roca, limpiar el polvo con bocanadas de nitrógeno presurizado e inspeccionar la superficie de la roca resultante, se perforó un orificio el 1 de septiembre. Parecía que había una muestra de roca en el tubo, pero no se colocó inmediatamente en un recipiente. Se realizó un nuevo procedimiento de inspección óptica del tubo. [134] El 6 de septiembre, se completó el proceso y se colocó la primera muestra en un recipiente. [135]
El 21 de diciembre de 2022, Perseverance inició una campaña para depositar 10 de las muestras recolectadas en el depósito de respaldo, Three Forks. Este trabajo se completó el 28 de enero de 2023.
Muestras por tipo
Después de casi un año marciano de operaciones científicas y de almacenamiento de muestras del rover Perseverance de la NASA para la campaña MSR, el rover tiene actualmente la tarea de depositar diez muestras que ha almacenado desde el principio en el depósito de muestras de Three Forks, ya que la NASA tiene como objetivo devolverlas a la Tierra a partir del 19 de diciembre de 2022. Este depósito servirá como lugar de respaldo, en caso de que Perseverance no pueda entregar sus muestras. Perseverance está depositando las muestras en un terreno relativamente plano conocido como Three Forks para que la NASA y la ESA puedan recuperarlas en sus sucesivas misiones en la campaña MSR. Incluso se ha seleccionado como el lugar de aterrizaje de respaldo para el módulo de aterrizaje de recuperación de muestras. Es un lugar relativamente benigno. Es tan plano y liso como la superficie de una mesa.
El complejo sistema de muestreo y almacenamiento en caché de Perseverance tarda casi una hora en recuperar el tubo de metal del interior del vehículo explorador, verlo una última vez con su cámara de caché interna y dejar caer la muestra a unos 0,89 m (2 pies 11 pulgadas) sobre una zona cuidadosamente seleccionada de la superficie marciana. [153]
Los tubos no se apilarán en un único punto, sino que cada lugar de caída de los tubos tendrá un "área de operación" de unos 5,5 m (18 pies) de diámetro. Para ello, los tubos se depositarán en la superficie en un intrincado patrón en zigzag de 10 puntos para 10 tubos, con cada muestra a una distancia de entre 5 y 15 m (16 pies) cerca del lugar de aterrizaje propuesto para el módulo de recuperación de muestras. Hay varias razones para este plan, la más importante de las cuales es el diseño de los helicópteros de recuperación de muestras . Están diseñados para interactuar con un solo tubo a la vez. Además, realizarán despegues y aterrizajes, y se desplazarán en ese lugar. Para garantizar que un helicóptero pueda recuperar muestras sin ningún problema, el plan se ejecutará correctamente y durará más de dos meses.
Antes y después de que Perseverance deje caer cada tubo, los controladores de la misión revisarán una multitud de imágenes de la cámara SHERLOC WATSON del rover . Las imágenes de la cámara SHERLOC WATSON también se utilizan para comprobar con certeza que el tubo no se haya metido en la trayectoria de las ruedas del rover. También buscan asegurarse de que el tubo no haya aterrizado de tal manera que haya quedado de pie sobre su extremo (cada tubo tiene una pieza final plana llamada "guante" para que sea más fácil de recoger por futuras misiones). Esto ocurrió menos del 5% del tiempo durante las pruebas con el gemelo terrestre de Perseverance, OPTIMISM, en el Mars Yard del JPL. En caso de que suceda en Marte, la misión ha escrito una serie de comandos para que Perseverance derribe cuidadosamente el tubo con parte de la torreta en el extremo de su brazo robótico.
Estas imágenes de la cámara SHERLOC WATSON también proporcionarán al equipo de Retorno de Muestras de Marte los datos precisos necesarios para localizar los tubos en caso de que las muestras se cubran de polvo o arena antes de ser recogidas. Marte es ventoso, pero no como en la Tierra, ya que la atmósfera de Marte es 100 veces menos densa que la de la atmósfera de la Tierra , por lo que los vientos en Marte pueden ganar velocidad (los más rápidos son los remolinos de polvo ), pero no recogen muchas partículas de polvo. El viento marciano ciertamente puede levantar polvo fino y dejarlo en las superficies, pero incluso si se acumula polvo significativo, estas imágenes del patrón de depósito ayudarán a recuperarlo. [163] Un encuentro afortunado con un remolino de polvo podría eliminar el polvo sobre las muestras como en el caso de los paneles solares del rover Spirit y el rover Opportunity .
Una vez que se complete toda esta tarea de depositar las 10 muestras, Perseverance continuará con su misión, atravesando el fondo del cráter y escalando la cima de Delta. El rover atravesará el borde del cráter y probablemente almacenará más tubos mientras sigue el plan de tomar una sola muestra en una roca. Hasta ahora, se tomaron varios pares de muestras y una muestra del par se colocará en el depósito y el otro par permanecerá a bordo del rover. [164] [165]
La misión de retorno de muestras de Marte, en una etapa anterior de su proceso de diseño, estaba formada por el róver de recogida de muestras de la ESA y su segundo módulo de aterrizaje asociado, junto con el vehículo de ascenso a Marte y su módulo de aterrizaje que llevará las muestras hasta él, desde donde se lanzarán de vuelta a la Tierra. Pero después de considerarlo y de tener en cuenta los sobrecostos, se decidió que, dada la longevidad prevista de Perseverance , el róver existente sería el medio principal para transportar las muestras al módulo de recogida de muestras (SRL).
La misión de recuperación de muestras implica el lanzamiento de un módulo de aterrizaje de retorno de muestras de 5 paneles solares en 2028 con el Mars Ascent Vehicle y dos helicópteros de recuperación de muestras como respaldo para Perseverance . El módulo de aterrizaje SRL tiene aproximadamente el tamaño de un garaje promedio para dos autos y pesa ~3375 kg (7441 lb); tentativamente planeado para tener 7,7 m (25 pies) de ancho y 2,1 m (6,9 pies) de alto cuando esté completamente desplegado. La masa de carga útil del módulo de aterrizaje es el doble de la del rover Perseverance , es decir, ~563 kg (1241 lb). El módulo de aterrizaje debe estar cerca del rover Perseverance para facilitar la transferencia de muestras de Marte. Debe aterrizar a 60 m (200 pies) de su sitio objetivo, mucho más cerca que los rovers y módulos de aterrizaje de Marte anteriores. Por lo tanto, tendrá una batería secundaria para alimentar el módulo de aterrizaje para aterrizar en Marte. El módulo de aterrizaje aprovecharía una versión mejorada del exitoso sistema de navegación relativa al terreno de la NASA que ayudó a que Perseverance aterrizara de manera segura. El nuevo sistema de visión mejorada del módulo de aterrizaje, entre otras mejoras, agregaría una segunda cámara, un altímetro y mejores capacidades para usar la propulsión para un aterrizaje de precisión. Está previsto que aterrice cerca de Three Forks en 2029.
El rover Mars 2020 y los helicópteros transportarán las muestras al módulo de aterrizaje SRL. El brazo de transferencia de muestras de SRL, de unos 2,40 m (7,9 pies) de largo, construido por la ESA, se utilizará para extraer las muestras y cargarlas en la cápsula de retorno de muestras en el vehículo de ascenso. [5] [166]
La campaña MSR incluye helicópteros de clase Ingenuity , los cuales recogerán las muestras con la ayuda de un pequeño brazo robótico y las trasladarán al SRL, en caso de que el rover Perseverance tenga problemas.
El Mars Ascent Vehicle (MAV) es un cohete de dos etapas de combustible sólido que entregará las muestras recolectadas de la superficie de Marte al Earth Return Orbiter. A principios de 2022, Lockheed Martin recibió un contrato para asociarse con el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en el desarrollo del MAV y los motores de Northrop Grumman . [170] Está previsto que sea catapultado hacia arriba hasta 4,5 m (15 pies) por encima del módulo de aterrizaje, o 6,5 m (21 pies) por encima de la superficie marciana, en el aire justo antes de que se encienda, a una velocidad de 5 m (16 pies) por segundo, para eliminar las probabilidades de problemas de despegue, como resbalones o inclinación del SRL con el peso del cohete y el escape en el despegue. La parte delantera se lanzaría un poco más fuerte que la trasera, lo que haría que el cohete apunte hacia arriba, hacia el cielo marciano. Por lo tanto, el sistema de lanzamiento controlado de punta eyectada verticalmente (VECTOR) agrega una ligera rotación durante el lanzamiento, inclinando el cohete hacia arriba y lejos de la superficie. [171] El MAV entraría en una órbita de 380 kilómetros (240 millas). [172] Permanecerá guardado dentro de un cilindro en el SRL y tendrá un revestimiento protector térmico. La primera etapa del cohete (SRM-1) ardería durante 75 segundos. El motor SRM1 puede cardarse, pero la mayoría de las toberas de motores de cohetes sólidos cardanes están diseñadas de una manera que no pueden soportar el frío extremo que experimentará el MAV, por lo que el equipo de Northrop Grumman tuvo que idear algo que pudiera: una tobera de bola atrapada de última generación con una línea de división supersónica. [ cita requerida ] Después de la quema del SRM1, el MAV permanecerá en un período de inercia durante aproximadamente 400 segundos. Durante este tiempo, el carenado aerodinámico del MPA y toda la primera etapa se separarán del vehículo. Después de la separación de las etapas, la segunda etapa iniciará un giro ascendente mediante propulsores RCS de pequeña escala montados en los laterales. Toda la segunda etapa no estará guiada y se estabilizará por giro a una velocidad de aproximadamente 175 RPM. Una vez alcanzada la velocidad de giro objetivo, la segunda etapa (SRM-2) se encenderá y arderá durante aproximadamente 18-20 segundos, elevando el periapsis y haciendo circular la órbita. [173] Está previsto que la segunda etapa esté estabilizada por giro para ahorrar peso en lugar de una guía activa, mientras que las muestras de Marte darán como resultado una distribución de masa de carga útil desconocida. [172]La estabilización de giro permite que el cohete sea más ligero, por lo que no tendrá que llevar un control activo durante todo el trayecto hasta la órbita. Después de que se queme el SRM2, la segunda etapa se desviará por inercia durante hasta 10 minutos mientras se produce el empuje residual del SRM2. A continuación, se encenderán pequeños motores de despintado montados en el lateral, lo que reducirá la velocidad de giro a menos de 40 RPM. Una vez que se haya alcanzado la órbita objetivo, el MAV ordenará al MPA que expulse el contenedor de muestras en órbita (OS). La segunda etapa agotada del MAV permanecerá en órbita, transmitiendo una señal de radiobaliza alojada durante hasta 25 días. Esto ayudará a la ERO a capturar el OS. [167]
Está previsto que el MAV se lance en 2028 a bordo del módulo de aterrizaje SRL. [5]
ERO es una nave espacial desarrollada por la ESA. [174] [175] Incluye el Sistema de Captura, Contención y Retorno (CCRS) construido por la NASA y el Paquete de Comunicaciones UHF Electra. Se reunirá con las muestras entregadas por MAV en la órbita baja de Marte (LMO). Se planea que el orbitador ERO pese aproximadamente 7000 kg (15 000 lb) (el orbitador marciano más grande) y tenga paneles solares que resulten en una envergadura de más de 38 m (125 ft). Estos paneles solares son algunos de los más grandes jamás lanzados al espacio. [176]
Está previsto que el ERO se lance en un cohete Ariane 6 en 2027 y llegue a Marte en 2029, utilizando propulsión iónica y un elemento de propulsión química independiente para alcanzar gradualmente la órbita adecuada de 325 km (202 mi) y luego encontrarse con la muestra en órbita. [177] La radiobaliza de la segunda etapa del MAV proporcionará a los controladores la información que necesitan para acercar el Orbitador de Retorno a la Tierra de la ESA lo suficiente a la Muestra en Orbita para verla a través de la luz reflejada y capturarla para su regreso a la Tierra. Para ello, el ERO utilizaría cámaras de alto rendimiento para detectar la Muestra en Orbita a más de 1.000 km (620 mi) de distancia. Una vez "fijada", el ERO la rastrearía continuamente utilizando cámaras y LiDAR durante la fase de encuentro. Una vez alineado con el contenedor de la muestra, el Sistema de Captura, Contención y Retorno se encendería, abriría su tapa de captura y encendería sus sensores de captura. El orbitador de la ESA se impulsaría entonces hacia el contenedor de muestras a una velocidad de entre 2,5 y 5 centímetros por segundo para alcanzarlo y "tragarlo". Después de detectar que el contenedor de muestras está seguro en su interior, el Sistema de Captura, Contención y Retorno cerraría rápidamente su tapa. De este modo, el orbitador recuperaría y sellaría los recipientes en órbita y utilizaría un brazo robótico construido por la NASA para colocar el contenedor sellado en una cápsula de entrada a la Tierra. El CCRS de 600 kg (1300 lb) sería responsable de esterilizar completamente el exterior de la muestra en órbita y sellarla dos veces dentro del EES, creando una barrera de contención secundaria para mantener las muestras aisladas de forma segura e intactas para un máximo rendimiento científico. Elevará su órbita, desechará el elemento de propulsión (incluidos unos 500 kg (1100 lb) de hardware del CCRS, que no sirve de nada después de esterilizar las muestras) y regresará a la Tierra durante la ventana de transferencia Marte-Tierra de 2033. [176]
El ERO medirá la dosis total de radiación recibida durante todo el vuelo. Los resultados ayudarán a controlar el estado de la nave espacial y proporcionarán información importante sobre cómo proteger a los exploradores humanos en futuros viajes a Marte. [176]
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El sistema de captura, contención y retorno (CCRS) almacenaría la muestra en el EEV. El EEV regresaría a la Tierra y aterrizaría pasivamente, sin paracaídas. Aproximadamente una semana antes de la llegada a la Tierra, y solo después de completar con éxito una verificación de seguridad completa del sistema, la nave espacial ERO se configuraría para realizar la fase de regreso a la Tierra. Cuando el orbitador esté a tres días de la Tierra, el EEV se liberará de la nave espacial principal y volará una trayectoria de entrada de precisión a un sitio de aterrizaje predeterminado. Poco después de la separación, el orbitador mismo realizaría una serie de maniobras para entrar en órbita alrededor del Sol, para nunca regresar a la Tierra. La arena del desierto en el campo de pruebas y entrenamiento de Utah y los materiales amortiguadores en el vehículo están planeados para proteger las muestras de las fuerzas de impacto. [178] [179] [175] El EEV está programado para aterrizar en la Tierra en 2033. [180]
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