Recreación del interior de Marte NASA

Donald Trump quiere volver a mandar astronautas a la Luna: “Esta vez, no sólo pondremos una bandera y dejaremos nuestra huella”, aseguró el presidente de EEUU al anunciar sus nuevos planes para la NASA. Su predecesor, Barack Obama, quería lanzar una misión tripulada a Marte hacia el año 2030 pero, como no había dinero para todo, optó por cancelar el programa con el que George W. Bush pretendía volver a enviar humanos a la Luna. Nadie ha vuelto a pisarla desde que en 1972 regresaran los últimos astronautas de las misiones Apolo.

Aunque el nuevo director de la NASA, Jim Bridenstine, también es un firme defensor de la vuelta a la Luna, la agencia aún no ha ofrecido detalles sobre el calendario previsto para ese viaje tripulado a nuestro satélite ni parece haber dinero suficiente en los presupuestos de la agencia para hacerlo realidad a corto plazo.

     Recreación artística de la futura nave que viajará a Marte – Inspiración Mars

Así que, a falta de una nueva gran misión tripulada en el horizonte, Marte sigue siendo el gran objetivo de la exploración espacial y casi una obsesión. De momento, sólo con robots. Y es que al inhóspito planeta rojo no cesan de llegar sondas y vehículos que lo investigan desde tierra y aire. Las manda EEUU, la Agencia Espacial Europea (ESA), Rusia y hasta India.

La próxima misión científica despegará el 5 de mayo rumbo al corazón marciano para investigar su corteza, su manto y su núcleo. “InSight es la primera que va a estudiar el interior del planeta. Investigaremos sus constantes vitales”, resume el ingeniero español Fernando Abilleira, uno de los responsables del diseño de esta misión en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA.

InSight (de Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) intentará detectar por primera vez terremotos marcianos. O mejor dicho, martemotos. “Cada seísmo nos dará información sobre la estructura interior al estudiar cómo los ondas sísmicas pasan a través de las distintas capas del planeta”, explica el ingeniero desde California, donde ultiman los preparativos para el lanzamiento del sábado.

“Nos interesa la sismografía porque si un planeta se mueve, los terremotos o martemotos, nos van a dar mucha información sobre el interior del planeta, sobre lo vivo que está su núcleo. Marte no tiene un campo magnético, lo perdió y no entendemos por qué. Y es importante averiguarlo porque el campo magnético es nuestra gran coraza, nos protege y gracias a él la vida existe en la Tierra. Y si aún hay en Marte zonas con campo magnético, como zonas fósiles, queremos identificarlas”, explica la geóloga planetaria Adriana Ocampo durante una entrevista.

Si queremos mandar astronautas a Marte, añade esta ejecutiva del programa Nuevos Horizontes de la NASA, la información que recabe InSight será “clave tanto para entender la evolución como del planeta como para determinar cómo de seguro es para los seres humanos”.

Un sismómetro es como una cámara que toma una imagen del interior de un planeta así que, en cierto modo, será como hacer un escáner al planeta. En la Tierra, el estudio de los terremotos ha ayudado a entender mejor su composición pero la vida geológica de Marte ha sido mucho menos convulsa que la de nuestro planeta, por lo que se le considera un “planeta fósil” que preserva en su interior la historia de su nacimiento.

Los científicos creen que averiguando la composición de cada una de sus capas internas podrán explicar las causas por las que los planetas rocosos acabaron siendo tan diversos. ¿Por qué Marte, la Tierra y Venus son tan distintos? Este aspecto, añaden, es esencial para entender en qué lugares del Universo puede originarse la vida.

Según recuerda Fernando Abilleira, la NASA ya intentó, con poco éxito, hacer estos estudios sismográficos en los años 70 con las sondas Viking: “Ambos aterrizadores llevaban sismómetros en la cubierta pero, por ello, las medidas tenían muchos errores. InSight colocará su sismómetro directamente en la superficie marciana, lo que reducirá los errores en las mediciones de manera dramática”. También las misiones Apolo colocaron sismómetros en la Luna.

Si todo sale según lo previsto, Insight aterrizará el próximo 26 de noviembre, uniéndose a la flotilla de naves y vehículos robóticos (rovers) que escrutan el planeta rojo. Sobre el terreno operan Curiosity (desde agosto 2012) y el incombustible Opportunity (a pleno rendimiento desde enero de 2004). Desde el espacio orbitan el planeta rojo las sondas de la NASA Mars Odyssey, MRO y MAVEN; las europea Mars Express Orbiter y ExoMars TGO y la india Mars Orbiter Mission.

InSight despegará desde California con dos años de retraso. La nave iba a ser lanzada en 2016 pero un problema técnico en uno de los sensores obligó a aplazar el inicio de la misión hasta que Marte y la Tierra volvieran a estar en la posición óptima para que el viaje sea lo más corto posible y con el menor gasto de energía. Esa demora ha encarecido la misión en 150 millones, elevando su coste hasta los 800 millones. A esta cifra hay que sumar los 180 millones de dólares que han aportado los socios europeos que han realizado contribuciones, entre los que figuran España, Francia y Alemania.

Meteorología española

Nuestro país ha proporcionado un instrumento llamado TWINS, que recopilará datos sobre el viento y la temperatura marciana. Según detalla José Antonio Rodríguez Manfredi, investigador principal de este instrumento desarrollado por el Centro de Astrobiología (CAB/CSIC-INTA) y la empresa aeroespacial Crisa, se trata de una versión un tanto reducida y mejorada del instrumento REMS que está actualmente en Marte a bordo de Curiosity: “Hemos aprovechado las lecciones aprendidas y el conocimiento adquirido sobre algunos problemas técnicos de ciertos elementos de REMS para mejorarlos”.

Según relata el científico, “dos de los instrumentos esenciales de la misión deben ser colocados sobre el suelo marciano a los pocos días de la llegada de la nave. El despliegue (un brazo robótico que usará una especie de garra magnética suspendida de un cable) requiere que las condiciones de viento sean propicias, ya que el resto de la misión depende de que esta actividad crítica se ejecute perfectamente”.

Una vez desplegados los instrumentos, TWINS permitirá descartar falsas alarmas generadas en los sistemas sísmicos. Las mediciones de viento y temperaturas que haga durante la vida de la misión (un año marciano) podrán ser comparadas por primera vez con los datos que recaba simultáneamente el instrumento REMS de Curiosity en otro punto del planeta, un poco más al sur de donde aterrizará InSight) y, a su vez, con los modelos atmosféricos que actualmente emplean para simular el comportamiento de la atmósfera marciana.

“Con las últimas misiones hemos adquirido un gran conocimiento in situ sobre la geología y mineralogía de la superficie, en los puntos donde hemos aterrizado. También sabemos que las condiciones eran propicias para que pudiera haber albergado vida. Pero ojo, no digo que hubiera o haya vida, sino que las condiciones eran propicias. Sin embargo, nos queda por explorar el subsuelo (más allá de los pocos centímetros que hasta ahora se han explorado)”, relata Rodríguez Manfredi.

Buscar huellas de vida será el objetivo principal de los dos sofisticados vehículos robóticos que en 2020 se unirán a la flota marciana: Mars2020, de la NASA, y la segunda parte de >ExoMars, un proyecto conjunto de la ESA y Roscosmos, la agencia espacial rusa.

“La Mars 2020 Rover Mission es una misión espacial del Programa de Exploración de Marte que incluye un astromóvil de exploración marciana dirigida por la NASA con el propósito de ser lanzado en el año 2020. Su objetivo es investigar el entorno astrobiológicoantiguo relevante en Marte, investigar su superficie, procesos geológicos y la historia, incluida la evaluación de su pasado, habitabilidad y posibilidad de preservar las biofirmas dentro de los materiales geológicos accesibles.​ Un posible lugar de aterrizaje para la misión es el cráter Jezero localizado en el Cuadrángulo de Syrtis Major en las coordenadas 18.855, 77.519.“

“El rover que lanzaremos en 2020 se centrará no sólo en buscar pistas sobre las condiciones de habitabilidad de Marte en el pasado, sino también en encontrar señales de posible vida microbiana pasada”, señala Abilleira, que dirige el equipo de Diseño y Navegación de la futura misión Mars2020, que contará también una estación meteorológica española.

Tendrá un “taladro que recogerá y almacenará muestras para que una posible misión futura las traiga de vuelta a la Tierra” e instrumentos que buscarán agua en el subsuelo y producirán oxígeno a partir de los elementos de la atmósfera marciana.

Hasta los dos metros de profundidad será capaz de perforar ExoMars, el rover que Europa y Rusia mandarán a Marte en 2020 (Curiosity sólo llega a los cinco centímetros). Según explica por teléfono desde Holanda Jorge Vago, el responsable científico de la misión en la ESA, a finales de este año elegirán el lugar de aterrizaje: “Hemos considerado muchos emplazamientos hasta quedarnos con dos, Oxia Planum y Mawrth Vallis, que están relativamente cerca y son muy interesantes desde el punto de vista científico. Mawrth Vallis está un poco más alto y tiene más variedad porque podremos ver cosas distintas al movernos. Es como un helado de tutti frutti mientras que Oxia Planum sólo tiene un sabor pero resulta muy interesante también”.

“Nuestro objetivo es buscar trazas de vida pasada en Marte. No creemos que pueda haberla cerca de la superficie debido a que recibe dosis de radiación muy altas, que actúan como 10.000 pequeños cuchillos que cortan los enlaces de las moléculas”, explica el científico argentino. Quizás, a más profundidad, señala, pudiera haber algún tipo de vida, “pero eso no vamos a poder verlo con ExoMars“.

Los organismos que buscarán son relativamente primitivos, con dimensiones muy pequeñas así que dar con ellos, admite, será muy difícil: «La única posibilidad de encontrarlos cerca de la superficie es si formaron colonias, porque un organismo individual es demasiado pequeño para verlo. Hace 20 años que vamos y ninguna misión los ha hallado. Tenemos más fe en tratar de probar que haya habido vida Marte identificando metano y gases traza“, explica.

Esa es la tarea que está llevando a cabo el orbitador TGO, que fue lanzado en 2016 junto al módulo Schiaparelli, que se estrelló al intentar aterrizar en Marte.

                             Recreación de la sonda ‘InSight’ trabajando en Marte NASA

En cierto modo, reflexiona Vago, los estudios en Marte tratan de hacer “un viaje atrás en el tiempo para entender cuál pudo haber sido la evolución del planeta”.

“Creemos conocer aceptablemente bien cómo ha evolucionado el planeta. Hace entre 4.600 y 3.700 millones de años atrás, Marte pudo haber sido cálido y húmedo, pero nos falta encontrar evidencias de vida pasada (aunque esté extinguida en la actualidad), o incluso presente”, dice Rodríguez Manfredi. “Indudablemente, ese hallazgo permitiría confirmar (y revolucionar) nuestra concepción de la vida en el Universo”.

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                              Fotograma de la película ‘Marte’ (‘The Martian’). EM

¿Por qué es difícil ir a Marte? (II)

En la pasada entrada contextualizamos el problema de una misión humana a Marte para apreciar la dimensión del desafío que supone. Como vimos, la principal razón que la hace difícil es la enorme distancia que nos separa de ese planeta, lo que implica que la misión tendría una duración total de aproximadamente 2 años y medio. En esta entrada vamos a concretar cómo se plantea hoy en día esta misión, tomando como ejemplo la oportunidad para el año 2037.

Según está propuesto en la actualidad, para completar una misión humana a Marte serán necesarias 3 naves: dos de carga y una para la tripulación. Una de las naves de carga transportará a Marte el hábitat que albergará a la tripulación durante su estancia de 539 días en la superficie marciana. Este hábitat se denomina SHAB (Surface Habitat), y es ahí donde Mark Watney, el protagonista de ‘Marte’ The Martian, trata de sobrevivir en solitario.

 

 

 

 

La otra nave de carga es el denominado ‘vehículo de descenso y ascenso’, o DAV (Descent and Ascent Vehicle). El DAV es la nave a bordo de la que la tripulación, una vez acabada su estancia en Marte, abandonará este planeta, y es, por tanto, la nave que utiliza la tripulación al principio de la película para abortar su estancia en la superficie marciana en medio de una feroz tormenta de arena.

La nave con la tripulación es conocida como ‘vehículo de transferencia para Marte’, o MTV (Mars Transfer Vehicle), y es la que se encargará de transportar a la tripulación en sus dos trayectos interplanetarios: el de ida a Marte y el de regreso a la Tierra (las naves de carga solo tienen tiques de ida).

 

 

 

Concepto de vehículo de transferencia de tripulación para Marte. Fuente: NASA.

 

Estas tres naves habrán de ensamblarse en una órbita baja alrededor de la Tierra antes de ser enviadas por separado a Marte, pero estos ensamblajes y envíos se harán en tiempos distintos. Las naves de carga (SHAB y DAV) serán las primeras en ser ensambladas, y serán lanzadas al planeta rojo dos años antes que el MTV con la tripulación. ¿Por qué dos años? Porque es aproximadamente cada dos años que se da la posición relativa precisa entre Marte y la Tierra que permite que entre ambos planetas se pueda volar una trayectoria por la que se minimiza la cantidad de combustible a utilizar. Esto es de gran importancia porque son muchas las toneladas de combustible que se necesitan para hacer posible una misión así, como veremos luego.

 

 

 

Concepto de nave de carga para Marte. Fuente: NASA.

 

Una vez ensamblada cualquiera de estas tres naves en órbita alrededor de la Tierra, cada una de ellas es lanzada desde ahí hacia Marte a través del encendido de sus motores durante un corto espacio de tiempo. La nave es así acelerada hasta adquirir la velocidad necesaria para abandonar la influencia gravitatoria terrestre y dirigirse hacia Marte a lo largo de una trayectoria interplanetaria que es, en realidad, una órbita elíptica alrededor del Sol y cuyo punto más lejano intersectará con el paso de Marte por ese punto en el momento preciso. Cuando la velocidad deseada ha sido alcanzada, los motores se apagan y permanecen así durante toda la travesía (se encenderán en algún momento para hacer alguna corrección en la trayectoria). A pesar de encender los motores durante un corto espacio de tiempo, del orden de pocos minutos o decenas de minutos, la cantidad de combustible que se utiliza es enorme (decenas de toneladas).

Este lanzamiento hacia Marte desde una órbita baja alrededor de la Tierra se denomina ‘inyección transmarciana’, y nos referimos a él como TMI (Trans-Mars Injection). Nótese que al regreso de la tripulación desde Marte, el mismo proceso ocurrirá desde allí en sentido inverso: desde una órbita alrededor de Marte, la nave encenderá sus motores por un corto espacio de tiempo en lo que se denomina ‘inyección transterrestre’, o TEI (Trans-Earth Injection).

 

 

 

 

Una vez llegada una nave a las proximidades de Marte, esta debe frenarse para quedar capturada en una órbita alrededor de ese planeta desde donde acometer las siguientes operaciones. Esta maniobra de frenado se denomina ‘inserción en órbita marciana’, o MOI (Mars Orbit Insertion). El MOI puede hacerse de forma propulsada, encendiendo los motores otro corto espacio de tiempo, o de forma aeroasistida, utilizando la atmósfera marciana para frenar la nave en una maniobra llamada ‘aerocaptura’. Esta última opción se ha propuesto solo para las naves de carga de forma que sería mucho el combustible que se ahorraría en la misión. El problema es que nunca se ha volado una aerocaptura hasta la fecha, con lo que esta capacidad habría de ser demostrada antes. El SHAB (la nave portando el hábitat) permanecerá en órbita alrededor de Marte a la espera de la tripulación, pero el DAV (vehículo de descenso y ascenso) descenderá a la superficie marciana de forma autónoma.

 

 

 

 

El DAV será la nave de ascenso que utilizará la tripulación en su día para despegar de la superficie al acabar su estancia en el planeta rojo. Con objeto de ahorrar el combustible necesario para ese lanzamiento, se propone que el DAV no porte el combustible con él, sino que lo produzca en Marte, in situ. Y es que sería prohibitiva la masa de una nave que descendiera a la superficie de Marte con el combustible para el lanzamiento posterior de 6 personas al finalizar su estancia allí. De hecho, se propone que el DAV no solo produzca in situ el combustible, siendo el metano/oxígeno la opción preferida, sino que también produzca el oxígeno, nitrógeno y el agua necesarios para la tripulación. Esta es otra área que precisa investigación y desarrollo tecnológico.

Dos años después de haber enviado las dos naves de carga, y después de comprobar que los consumibles (combustible, aire, agua) hayan sido producidos en Marte y de que todo allí funcione correctamente, la tripulación será lanzada finalmente al planeta rojo desde la Tierra. Una vez en órbita alrededor de Marte, el MTV (la nave en la que viaja la tripulación) se encontrará con el SHAB, que lo espera en órbita alrededor de Marte. Los astronautas pasarán al SHAB y procederán a bordo de esta nave al descenso a la superficie, donde aterrizarán a una corta distancia del DAV.

 

        Ejemplo de misión a Marte propuesta para la oportunidad de 2037. Fuente: NASA.

El descenso a Marte de naves de tanta masa es a día de hoy un problema no resuelto. Hasta la fecha se han enviado a Marte vehículos exploradores y aterrizadores de muy poca masa. El principal problema reside en que la atmósfera marciana es muy tenue y no consigue frenar una nave de reentrada lo suficiente sin necesidad de emplear retropropulsión supersónica o enormes superficies de frenado si la nave es lo suficientemente masiva. La tecnología a día de hoy permite como máximo aterrizar en Marte masas de alrededor de una tonelada, un valor muy lejano de las naves de varias decenas de toneladas que habrá que poder aterrizar en una misión humana, por lo que nuevas técnicas y tecnologías deberán también ser desarrolladas para este propósito, un área de investigación en el que personalmente trabajo parcialmente en la actualidad.

Después de los 539 días de estancia en Marte, la tripulación será lanzada en la etapa de ascenso del DAV al encuentro del MTV, que habrá permanecido en órbita alrededor de Marte todo ese tiempo. Una estancia tan larga en Marte sería necesaria a la espera de que la posición relativa entre este planeta y la Tierra fuera óptima para el regreso con un mínimo gasto de combustible, lo que ahorra el envío de ingentes cantidades de combustible. Una vez transferidos al MTV, se procederá a la inyección transterrestre por la que los astronautas regresarán a casa unos 200 días después, para acabar haciendo una reentrada en la atmósfera de la Tierra a bordo de una cápsula Orion, la cual está siendo desarrollada en la actualidad.

Muchas personas me preguntan si sería posible reducir la estancia en Marte. Efectivamente, la estancia podría reducirse a tiempos de entre 30 y 90 días; pero, en ese caso, los tránsitos interplanetarios habrían de ser muy largos, de mas de 200 días de ida y de unos 400 días de vuelta; requiriendo, además, maniobras de asistencia gravitatoria en el camino; de otra manera, el coste sería prohibitivo. Se favorece la opción de viajes cortos y estancias largas para reducir la exposición de la tripulación a la radiación. Estando en Marte, el mismo planeta bloquea el 50% de la radiación a la que estarían expuestos los astronautas, ademas de que ciertas medidas de protección serian mas fáciles de implantar.

Como se ha dicho constantemente, las masas involucradas en una misión humana a Marte son enormes. Un elemento que contribuye significativamente a esto es el combustible, y es por esta razón que se ha propuesto la opción de utilizar propulsión nuclear-térmica en lugar de propulsión química, tal y como ha sido el caso en todas las misiones tripuladas hasta la fecha. Esta no es una decisión baladí ya que el ahorro en combustible entre una opción y otra es de unas 400 toneladas; esto es, aproximadamente la masa de una Estación Espacial Internacional (ISS). Para poner esto en perspectiva, apuntemos que se precisaron 10 años para ensamblar la ISS y algo más de una treintena de lanzamientos (aunque de menor capacidad que el Saturno V).

Según se estima en la actualidad, para llevar a cabo una única misión a Marte habrá que lanzar al espacio desde la Tierra un total de 850 toneladas en caso de que se utilice propulsión nuclear-térmica, o 1.250 toneladas en caso de utilizar propulsión química. Esto son 2 o 3 Estaciones Espaciales Internacionales. Asumiendo que un cohete lanzador de prestaciones similares al Saturno V de las misiones lunares puede emplazar 120 toneladas en una órbita baja alrededor de la Tierra, el número de lanzamientos requeridos en una sola misión humana a Marte sería aproximadamente de 7 u 11, dependiendo del tipo de combustible, y asumiendo que todos los elementos necesarios puedan ponerse en órbita con un lanzador así. El envió de la tripulación precisaría de un lanzamiento especifico a bordo de un cohete de menor capacidad, por ejemplo, y es posible que ciertas tareas de ensamblaje puedan requerir asistencia humana también.

Existen muchas variaciones en las arquitecturas propuestas para misiones tripuladas a Marte pero lo expuesto aquí refleja lo que viene a ser la arquitectura de referencia que se considera hoy en día. En cualquier caso, la envergadura de una misión humana a Marte es sobrecogedora. Espero que estas dos ultimas entradas hayan ayudado a entender un poco mejor la magnitud de una empresa tan ambiciosa y compleja. Las dificultades técnicas, operativas y tecnológicas que encierra no son para nada triviales, y resulta imposible siquiera mencionarlas todas en una entrada de un blog. Se requiere aún el desarrollo de tecnologías inexistentes en la actualidad para llevar a cabo una misión así, y muchas de las cuestiones planteadas no están aún resueltas. Aún estamos lejos de poder enviar seres humanos a Marte, pero también hace un siglo se estuvo muy lejos de alcanzar el espacio y la Luna. Estoy seguro de que el ser humano llegará a Marte algún día si así lo desea, pero creo, y esta es una opinión estrictamente personal, que ese día está más lejos de lo que muchos puedan pensar.

Fuente: NASA

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