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Misión de retorno de muestras a Marte

Retorno de muestras de Marte: concepto artístico

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 amplio que el que permiten los sensores a bordo. [2]

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

Los conceptos más recientes son una propuesta de la NASA y la ESA ; una propuesta de la CNSA , Tianwen-3 ; una propuesta de Roscosmos , Mars-Grunt ; y una propuesta de la JAXA , Martian Moons eXploration (MMX). Aunque los planes de la NASA y la ESA para devolver las muestras a la Tierra todavía están en la etapa de diseño en 2024 , el rover Perseverance ha recolectado muestras en Marte . [4]

Valor científico

Meteoritos de Marte en el Museo de Historia Natural de Viena

Una vez que regresan a la Tierra, las muestras almacenadas pueden ser estudiadas 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 realizar varios descubrimientos nuevos en muchos campos. [5] Las muestras pueden ser analizadas nuevamente en el futuro con instrumentos que aún no existen. [6]

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 mediante la MSR", lo que convierte a la MSR en "la única misión que lograría el mayor progreso hacia toda la lista" de investigaciones. Además, se informó de que una fracción significativa de las investigaciones no podría avanzar de manera significativa sin el retorno de muestras. [7]

Una fuente de muestras de Marte son los que se cree que son meteoritos marcianos , que son rocas expulsadas de Marte que llegaron a la Tierra. Hasta agosto de 2023 , se habían identificado 356 meteoritos como marcianos, de más de 79.000 meteoritos conocidos. [8] Se cree que estos meteoritos son de Marte porque sus composiciones elementales e isotópicas son similares a las rocas y los gases atmosféricos analizados en Marte. [9]

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 el Apolo todavía estaba en desarrollo y la primera nave espacial que sobrevoló Marte aún no se había lanzado, con la expectativa de que hubiera gente a bordo para el ascenso a Marte. [10] 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 retorno de muestras de Marte fue estudiado conjuntamente por el Centro de Investigación Langley y el Laboratorio de Propulsión a Chorro a principios de los años 1970, durante el tiempo en que se desarrollaba la misión Viking Mars , y un autor de Langley señaló que el "vehículo de lanzamiento de la superficie a la órbita de Marte" 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. [11]

Durante al menos tres décadas, los científicos han abogado por el retorno de muestras geológicas de Marte. [12] 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. [13]

La Unión Soviética consideró una misión de retorno de muestras de Marte, Mars 5NM , en 1975, pero fue cancelada debido a los repetidos fallos del cohete N1 que la habría lanzado. Otra misión de retorno de muestras, Mars 5M (Mars-79), prevista para 1979, fue cancelada debido a la complejidad y a problemas técnicos. [14]

A mediados de los años 1980, los planificadores de la misión del JPL observaron que el MSR había sido "empujado por presiones presupuestarias y de otro tipo hasta los años 1990", y que el viaje de ida y vuelta "impondría grandes requisitos de propulsión". [15] Presentaron un presupuesto de masa nocional para un concepto que lanzaría una carga útil de 9,5 toneladas métricas desde la Tierra, incluyendo un orbitador marciano para el regreso a la Tierra, y un módulo de aterrizaje con un explorador de 400 kg y un "vehículo de regreso a Marte" que pesaría más de 2 toneladas métricas. Un recipiente de muestra de 20 kg llegaría a la Tierra conteniendo 5 kg de muestras, incluyendo núcleos de calidad científica perforados en todo tipo de terreno marciano.

A finales de los años 1980, varios centros de la NASA contribuyeron a la propuesta de misión de retorno de muestras del rover de Marte (MRSR). [16] [17] Como describieron los autores del JPL, una opción para la 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 (MAV) de 2,7 toneladas que utilizaría propulsión líquida alimentada por bomba para un ahorro significativo de masa. [18] Un paquete de muestra de 20 kg en el MAV debía contener 5 kg de suelo marciano. Un autor del Centro Espacial Johnson se refirió posteriormente a un lanzamiento desde la Tierra en 1998 con una masa del MAV en el rango de 1400 a 1500 kg que incluía una primera etapa alimentada por bomba y una segunda etapa alimentada a presión. [19]

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. [20] Una arquitectura fue propuesta por Glenn J. MacPherson a principios de la década de 2000. [2]

En 1996, se planteó la posibilidad de que hubiera vida en Marte cuando se pensó que se habían encontrado aparentes microfósiles en el meteorito marciano ALH84001 . Esta hipótesis fue finalmente rechazada, pero condujo a un renovado interés en el retorno de una muestra de Marte. [21]

A mediados de la década de 1990, la NASA financió al JPL y a Lockheed Martin para estudiar arquitecturas de misiones MSR asequibles 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 marciano para el encuentro y el regreso a la Tierra. [22] Robert Zubrin , un defensor de larga data de las misiones humanas a Marte, concluyó en 1996 que el mejor enfoque para MSR sería el lanzamiento directo 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 se cargara completamente de combustible en la Tierra. [23] Los revisores pares internacionales estuvieron de acuerdo. [24] En 1997, un análisis detallado de la tecnología convencional de cohetes a pequeña escala (tanto de propulsante 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 se sugirió "la aplicación de los principios de diseño de vehículos de lanzamiento al desarrollo de nuevo hardware en una escala diminuta". [25]

En 1998, el JPL presentó un diseño para un MAV bipropelente 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. [26] El mismo autor del JPL colaboró ​​en un MAV nocional de una sola etapa de 200 kg destinado a hacerse pequeño mediante el uso de propulsión alimentada por bomba para permitir tanques de propulsor líquido de baja presión livianos y cámaras de empuje compactas de alta presión. [27] Esta ventaja de masa 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 monopropelente, en parte habilitado por la simplicidad de un solo tanque, también aplicable al aterrizaje en Marte que generalmente se realiza con monopropelente. [28] Los propulsores de alta presión y la bomba se habían demostrado previamente en el vuelo de 1994 de un cohete experimental de 21 kg. [29]

A finales de 1999, se preveía que la misión MSR se lanzaría desde la Tierra en 2003 y 2005. [30] Cada uno de ellos debía transportar un explorador y un vehículo de ascenso a Marte, y en 2005 se incluiría un orbitador marciano suministrado por Francia con capacidad de retorno a la Tierra. El MAV de 140 kg, "en proceso de contratación con 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 ligera y 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 para facilitar 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, [31] fue cancelado después de una revisión del programa. [32]

A mediados de 2006, el Grupo de Trabajo Internacional de Arquitectura de Marte para el Retorno 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 retorno de muestras de Marte patrocinada y ejecutada internacionalmente en el período 2018-2023. [7]

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 [6] [35] con misiones no especificadas para traer muestras en el período 2020-2022. [36] 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, puso fin a la misión. [37] La ​​retirada fue descrita como "traumática" para la comunidad científica. [37]

A principios de 2011, la Encuesta Decenal de Ciencia Planetaria del Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos , que estableció las prioridades de planificación de misiones para el período 2013-2022, declaró que una campaña MSR era su misión insignia de máxima prioridad para ese período. [38] 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.

Un requisito clave de la misión del rover Perseverance Mars 2020 fue que ayudara a prepararse para el MSR. [39] [40] [41] 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 la de un sable de luz de las películas de La guerra de las galaxias . [42]

Misión Marte 2020

El explorador Perseverance

La misión Mars 2020 hizo aterrizar al rover Perseverance en el cráter Jezero en febrero de 2021. Ha recogido múltiples muestras y seguirá haciéndolo, empaquetándolas en cilindros para su posterior retorno en la Campaña MSR. Jezero parece ser un antiguo lecho de lago, adecuado para el muestreo terrestre. [43] [44] [45] También se le ha asignado la tarea de devolver las muestras directamente al módulo de aterrizaje Sample Return, teniendo en cuenta la posible longevidad de la misión.

Depósito de muestras de Marte en 3 forks
En apoyo del programa de retorno de muestras de Marte de la NASA y la ESA, Perseverance está almacenando muestras de roca, regolito ( suelo marciano ) y atmósfera . A octubre de 2023, se han llenado 27 de los 43 tubos de muestra, [46] incluidas 8 muestras de roca ígnea, 12 tubos de muestra de roca sedimentaria, un tubo de muestra de roca carbonatada cementada con sílice , [47] dos tubos de muestra de regolito, un tubo de muestra de atmósfera, [48] y tres tubos testigo. [49] Antes del lanzamiento, 5 de los 43 tubos fueron designados "tubos testigo" y se llenaron con materiales que capturarían partículas en el entorno ambiental 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 el depósito de muestras de Three Forks. [50]

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 [51]
(ilustración; 27 de julio de 2022)
Campaña de retorno de muestras de Marte para traer muestras de rocas de Marte de regreso a la Tierra

El plan de la NASA y la ESA [52] 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 helicópteros de clase Ingenuity ) y una misión de retorno (Earth Return Orbiter). [53] [54] [55]

Aunque la propuesta de la NASA y la ESA todavía está en la etapa de diseño, la primera etapa de recolección de muestras está siendo ejecutada actualmente por 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] [56] [57] Las fases posteriores enfrentaban sobrecostos significativos a partir de agosto de 2023. [58] [59] En noviembre de 2023, se informó que la NASA había recortado el programa debido a una posible escasez de fondos. [60] A partir de enero de 2024, el plan enfrentaba un escrutinio continuo debido a consideraciones de presupuesto y programación, y se estaba buscando un nuevo plan de revisión. [61] En abril de 2024, la NASA informó que el costo originalmente proyectado de $ 7 mil millones y el retorno de muestras esperado de 2033 se actualizaron a unos inaceptables $ 11 mil millones y retorno de 2040, lo que llevó a la agencia a buscar una mejor solución. [62]

Porcelana

China ha anunciado planes para una misión de retorno de muestras de Marte que se llamará Tianwen-3 . [63] La misión se lanzaría a fines 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 regresarían a la Tierra en julio de 2031. [64]

Un plan anterior habría utilizado una gran nave espacial que pudiera 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 superpesado Long March 9. [65] [66] [67] Otro plan implicaba utilizar Tianwen-1 para almacenar las muestras para su recuperación. [68]

Francia

Francia ha trabajado durante muchos años en pos de un retorno de muestras. Esto incluyó conceptos de una instalación de conservación de muestras extraterrestres para las 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 llamado Exploración de las 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 de Marte.

Rusia

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

Contaminación de espalda

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

No se ha resuelto si existen formas de vida en Marte . Por lo tanto, la MSR podría transferir organismos viables a la Tierra, lo que daría lugar a una contaminación inversa (la introducción de organismos extraterrestres en la biosfera terrestre ). El consenso científico es que el potencial de efectos a gran escala, ya sea a través de la patogénesis o la alteración ecológica, es pequeño. [7] [81] [82] [83] [84] Las muestras devueltas se tratarían como potencialmente biológicamente peligrosas 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 en un millón. [81]

La NASA no aprobará la propuesta de misión de retorno de muestras a Marte hasta que se haya completado el proceso de la Ley Nacional de Política Ambiental (NEPA). [85] Además, según los términos del Artículo VII del Tratado del Espacio Exterior y otros marcos legales, si se produjera una liberación de organismos, la nación o naciones que los liberaran serían responsables de los daños resultantes. [86]

La misión de retorno de muestras tendría como objetivo 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 muestras estaría diseñado para soportar la fuerza del impacto. [85] Para recibir las muestras devueltas, la NASA propuso una instalación de contención personalizada de nivel 4 de bioseguridad , la instalación de recepción de muestras de retorno a 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, por lo que no hay motivos para preocuparse. Citan, entre otras cosas, la falta de cualquier incidente conocido, 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, por sus siglas en inglés) es un grupo de defensa dirigido por Barry DiGregorio, que hace campaña contra una misión de retorno de muestras a Marte. Si bien el ICAMSR reconoce una baja probabilidad de peligros biológicos, considera que las medidas de contención propuestas son inseguras. El ICAMSR aboga por más estudios in situ en Marte y pruebas preliminares de peligros biológicos 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]

Véase también

Referencias

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