Misión de retorno de muestras a Marte

Una misión Mars Sample-Return ( MSR ) es una misión de vuelo espacial propuesta para recolectar muestras de roca y polvo en Marte y luego devolverlas a la Tierra . [1] Muestra-retorno sería un tipo de exploración muy poderoso, porque el análisis se libera de las limitaciones de tiempo, presupuesto y espacio de los sensores de las naves espaciales. [2]

Concepto de retorno de muestra de Marte

Según Louis Friedman , director ejecutivo de The Planetary Society , la comunidad científica planetaria suele describir una misión de retorno de muestras de Marte como una de las misiones espaciales robóticas más importantes, debido a su alto rendimiento científico esperado de la inversión [3] y su capacidad para probar la tecnología necesaria para una misión humana a Marte .

Con el tiempo, se han estudiado varias misiones conceptuales, pero ninguna de ellas pasó de la fase de estudio. Los tres conceptos más recientes para una misión MSR son una propuesta de la NASA-ESA, una propuesta rusa ( Mars-Grunt ) y una propuesta china (Tianwen-2).

Meteoritos de Marte en el Museo de Historia Natural de Viena

La devolución de las muestras de Marte beneficiaría a la ciencia al permitir que se llevaran a cabo análisis más extensos de las muestras que los que podrían realizarse con instrumentos transferidos con esmero a Marte. Además, la presencia de las muestras en la Tierra permitiría utilizar equipos científicos en muestras almacenadas, incluso años y décadas después de la misión de devolución de muestras. [4]

En 2006, MEPAG identificó 55 importantes investigaciones científicas futuras relacionadas con la exploración de Marte. En 2008, concluyeron que aproximadamente la mitad de las investigaciones "podrían ser abordadas en un grado u otro por MSR", haciendo de MSR "la misión única que haría el mayor progreso hacia la lista completa" de investigaciones. Además, se descubrió que una fracción significativa de las investigaciones no puede avanzar de manera significativa sin muestras devueltas. [5]

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 abril de 2019, se han identificado 266 meteoritos como marcianos, de más de 61.000 meteoritos conocidos. [6] Se cree que estos meteoritos son de Marte porque tienen composiciones elementales e isotópicas que son similares a las rocas y los gases de la atmósfera analizados por naves espaciales en Marte. [7]

En 1996, la posibilidad de vida en Marte fue cuestionada nuevamente cuando aparentes microfósiles podrían haberse encontrado en un meteorito de Marte (ver ALH84001 ). [8] Esto llevó a un renovado interés en un retorno de muestra de Marte, y se consideraron varias arquitecturas diferentes . [8] El administrador de la NASA Goldin presentó tres opciones para MSR: "de ritmo", "acelerado" y "agresivo". [8] Se pensó que la MSR podría realizarse por menos de US $ 100 millones por año, con algo similar a los presupuestos de exploración de Marte vigentes en ese momento. [8]

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

Durante al menos tres décadas, los científicos occidentales han abogado por la devolución de muestras geológicas de Marte. [9] Se estudió un concepto con la propuesta de Colección de muestras para la investigación de Marte (SCIM), que implicaba enviar una nave espacial en un paso de pastoreo a través de la atmósfera superior de Marte para recolectar muestras de polvo y aire sin aterrizar ni orbitar. [10]

La Unión Soviética consideró una misión de retorno de muestras a Marte , Mars 5NM , en 1975, pero fue cancelada debido a las repetidas fallas del cohete N1 que se habría utilizado para lanzarlo. Una misión de retorno de muestra doble, Mars 5M (Mars-79) planeada para 1979, fue cancelada debido a la complejidad y problemas técnicos. [ cita requerida ]

El Programa de Exploración de Marte de la NASA consideró originalmente un concepto de misión (llamado provisionalmente simplemente Mars Sample-Return) para devolver muestras en 2008, [11] pero fue cancelado después de una revisión del programa. [12] En el verano de 2001, el Jet Propulsion Laboratory (JPL) solicitó conceptos de misión y propuestas de equipos liderados por la industria (específicamente Boeing , Lockheed Martin y TRW ). El invierno siguiente, JPL hizo solicitudes similares a ciertos departamentos universitarios de ingeniería aeroespacial (a saber, tanto el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) como la Universidad de Michigan ). Una década más tarde, una misión conceptual de la NASA-ESA fue abortada en 2012. [13]

El Programa de Exploración de Marte de los Estados Unidos , formado después de la falla del Mars Observer en septiembre de 1993, [14] apoyó un retorno de muestra de Marte. [14] Un ejemplo de la arquitectura de una misión fue el innovador retorno de muestras de Marte de Glenn J. MacPherson a principios de la década de 2000. [15]

A principios de 2011, el Estudio Decadal de Ciencias Planetarias del Consejo Nacional de Investigación (NRC) , que estableció las prioridades de planificación de la misión para el período 2013-2022 a pedido de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), declaró que una campaña de MSR era la más alta Misión insignia prioritaria para ese período. [16] En particular, respaldó la misión Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) propuesta en una forma "descopedida" (menos ambiciosa), aunque este plan de misión fue oficialmente cancelado en abril de 2011.

En septiembre de 2012, el Grupo de Planificación del Programa Mars de los Estados Unidos aprobó una devolución de muestra después de evaluar los planes de Mars a largo plazo. [17] [18]

El requisito clave de la misión para el rover Perseverance era que debía ayudar a preparar a la NASA para su campaña MSR, [19] [20] [21] que es necesaria antes de que se lleve a cabo cualquier misión con tripulación . [22] [23] [24] Tal esfuerzo requeriría tres vehículos adicionales: un orbitador , un FETCH Rover, y una de dos etapas , de combustible sólido vehículo de la subida de Marte (MAV). En abril de 2020, se presentó una versión actualizada de la misión. [25]

Misión de retorno de muestras a Marte - Tubos de muestra
Interior
Tomografía computarizada - animación
Misión de retorno de muestras a Marte
"> Reproducir medios
Perseverance rover - Recolección y almacenamiento de muestras
(video animado; 02:22; 6 de febrero de 2020)
Contenedor de muestras en órbita (concepto; 2020)
Insertar tubos de muestra en el móvil
Limpieza de tubos de muestra
Misión de retorno de muestras a Marte (2020; conceptos del artista) [26] [27]
01. Perseverance rover obteniendo muestras
02. Perseverance rover almacenando muestras
03. Aterrizaje de Lander
04. Lander desplegado
05. Recoger muestras del rover
06. Obtención de muestras para el módulo de aterrizaje
07. Lanzamiento desde Marte
08. Entrega de muestras para su posterior recogida

A mediados de 2006, el Grupo de Trabajo Internacional de Arquitectura de Marte para el Retorno de Muestras (iMARS) fue constituido 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 de tiempo 2018-2023. [5] El costo estimado de la muestra o de toda la misión es de alrededor de 9 mil millones de dólares estadounidenses y la masa de retorno de la muestra es de ~ 1 kg (2,2 libras).

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 "la devolución de muestras de Marte en la década de 2020". [28] [29] La primera misión de ExoMars se lanzaría en 2018 [4] [30] con misiones no especificadas para devolver muestras en el marco de tiempo 2020-2022. [31] La cancelación del rover de almacenamiento en caché MAX-C , y la posterior retirada de la NASA de ExoMars, retrasaron una misión de devolución de muestras a una fecha indeterminada. Debido a limitaciones presupuestarias, la misión MAX-C se canceló en 2011 y la cooperación general en 2012. [13] La retirada se describió como "traumática" para la comunidad científica. [13]

En abril de 2018, la NASA y la ESA firmaron una carta de intención que puede proporcionar una base para una misión de retorno de muestras a Marte. [32] [33] En julio de 2019, se propuso una arquitectura de misión para devolver muestras a la Tierra para 2031: [34] [35] En abril de 2020, se presentó una versión actualizada de la misión. [25]

  • El rover Perseverance recolectará muestras y las dejará en la superficie para su posterior recuperación.
  • Después de un lanzamiento en julio de 2026, un módulo de aterrizaje con una de dos etapas , sólido-alimentó cohete de Marte ascenso (desarrollado por la NASA) y un vehículo de recogida de muestras (desarrollado por la ESA) (o puede estar en dos módulos de aterrizaje separadas o una sonda de doble módulo de aterrizaje) aterriza cerca del rover Mars 2020 en agosto de 2028. El nuevo rover recoge las muestras dejadas por Mars 2020 y las envía al cohete de ascenso. Si Mars 2020 aún está operativo, también podría entregar muestras al lugar de aterrizaje. Una vez cargado con las muestras, el cohete de ascenso a Marte se lanzará con el recipiente de retorno de muestra en la primavera de 2029 y alcanzará una órbita baja de Marte.
  • El orbitador de retorno a la Tierra construido por la ESA se lanza en un propulsor Ariane 6 en octubre de 2026 y llega a Marte en 2027, utilizando propulsión de iones para bajar gradualmente su órbita a la altitud adecuada para julio de 2028. El orbitador recuperará el bote con las muestras en orbitar y devolverlo a la Tierra durante la ventana de transferencia de Marte a la Tierra de 2031.
  • El recipiente de retorno de muestra, encapsulado dentro del módulo de reingreso a la Tierra, aterriza en la Tierra a finales de 2031.

En septiembre de 2012, la NASA anunció su intención de estudiar más a fondo varias estrategias para llevar una muestra de Marte a la Tierra, incluido un escenario de lanzamiento múltiple, un escenario de lanzamiento único y un escenario de rover múltiple, para una misión que comience en 2018. [36] Decenas de muestras serían recolectadas y almacenadas en caché por el rover Mars 2020, y se dejarían en la superficie de Marte para una posible recuperación posterior. [21] Un "explorador de búsqueda" recuperaría los cachés de muestra 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 "búsqueda de rover". [37]

El MAV se lanzaría desde Marte y entraría en una órbita de 500 km y se reuniría con un nuevo orbitador de Marte . [21] El contenedor de la muestra se transferiría a un vehículo de entrada a la Tierra (EEV) que lo llevaría a la Tierra, entraría en la atmósfera bajo un paracaídas y aterrizaría en tierra firme para su recuperación y análisis en laboratorios seguros especialmente diseñados. [20] [21]

Prototipo - Caché retornable de muestras marcianas ( Perseverance rover , NASA , 9 de julio de 2013)

Arquitectura de dos lanzamientos

En este escenario, la misión de devolución de muestras abarcaría dos lanzamientos con un intervalo de aproximadamente cuatro años. El primer lanzamiento sería para el orbitador, el segundo para el módulo de aterrizaje. [38] El módulo de aterrizaje incluiría la de dos etapas , de combustible sólido Marte Ascenso vehículo (MAV).

Arquitectura de tres lanzamientos

Este concepto dividiría la misión de devolución de muestras en un total de tres lanzamientos. [38] En este escenario, el rover de recolección de muestras (por ejemplo, el rover Mars 2020 ) se lanzó por separado para aterrizar primero en Marte y llevar a cabo análisis y recolección de muestras durante una vida útil de al menos 500 soles (días marcianos). [39]

Algunos años más tarde, un orbitador de Marte se pondrá en marcha, seguido de un módulo de aterrizaje que lleva el de dos etapas , de combustible sólido Marte Ascenso del vehículo (MAV). El módulo de aterrizaje traería un pequeño y simple "explorador de búsqueda", cuya única función sería recuperar los contenedores de muestra de los escondites que quedan en la superficie o directamente del vehículo Perseverance , y devolverlos al módulo de aterrizaje donde se cargaría en el módulo de aterrizaje. MAV para ser entregado al orbitador y luego enviado a la Tierra. [40] [41]

Este diseño facilitaría el cronograma de todo el proyecto, dando a los controladores tiempo y flexibilidad para llevar a cabo las operaciones requeridas. Además, el programa podría depender del exitoso sistema de aterrizaje desarrollado para el Laboratorio Científico de Marte , evitando los costos y riesgos asociados con el desarrollo y prueba de otro sistema de aterrizaje desde cero. [38]

SCIM

El concepto de un artista de SCIM atravesando la atmósfera marciana.

SCIM (Colección de muestras para la investigación de Marte) fue un diseño de misión de retorno de muestras de Marte de bajo costo y bajo riesgo, propuesto en el Programa Mars Scout . [10] SCIM devolvería muestras de polvo y aire sin aterrizar ni orbitar, [10] sumergiéndose en la atmósfera a medida que recoge material de Marte. [42] Utiliza el legado de las exitosas misiones de devolución de muestras de Stardust y Genesis . [42]

Misiones futuras a Marte

Apoya el desarrollo de la misión Mars Sample Return (MSR) que planea ingresar a la formulación (Fase A) ya en el verano del año fiscal 2020. En el año fiscal 2021, las actividades de formulación de MSR incluyen desarrollo de conceptos y tecnología, y diseño y estudios iniciales en soporte del Sample Return Lander y el Capture / Coninment and Return System. También apoya un estudio de las instalaciones necesarias para el manejo de muestras devueltas. Al desarrollar conceptos para una misión Mars Sample Return, el presupuesto futuro respalda una fecha estimada de preparación para el lanzamiento del MSR de 2026. También se incluye el financiamiento para una posible colaboración con Canadá en el Mars Exploration Ice Mapper . Mars Exploration Ice Mapper es una misión de teledetección en estudio destinada a mapear y perfilar el hielo de agua cercano a la superficie (3 a 15 metros), particularmente el que se encuentra en las regiones de latitud media, en apoyo de futuras misiones científicas y de exploración. [43]

porcelana

China está considerando una misión de retorno de muestras a Marte para 2030. [44] [45] El plan a partir de 2017 es lanzar una gran nave espacial que pueda llevar a cabo todas las fases de la misión, incluida la recolección de muestras, el ascenso desde Marte y el encuentro en Marte. órbita, y un vuelo de regreso a la Tierra. Tal misión requeriría el vehículo de lanzamiento Long March 9 de carga súper pesada . [45] [46] [47] Las tecnologías necesarias se probaron durante la misión Tianwen-1 lanzada en 2020. [46] [47] Un plan alternativo anunciado en 2019 implica el uso de la misión HX-1 2020 para almacenar en caché las muestras para su recuperación. en 2030. [48] Estas muestras serían recuperadas por un módulo de aterrizaje de recolección de muestras con un vehículo de ascenso a Marte lanzado en noviembre de 2028 en un Long March 3B , y recolectadas en la órbita de Marte usando un Earth Return Orbiter lanzado en un Long March 5 también en noviembre de 2028 , con regreso a la Tierra en septiembre de 2031. [49]

Francia

Francia ha trabajado para lograr una devolución de muestras durante muchos años. [50] Esto incluyó conceptos de una instalación de curación de muestras extraterrestres para muestras devueltas y numerosas propuestas. [50] Trabajaron en el desarrollo de un orbitador de retorno de muestras de Marte, que capturaría y devolvería las muestras como parte de una misión conjunta con Estados Unidos u otros países europeos. [50]

Japón

El 9 de junio de 2015, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) dio a conocer un plan llamado Exploración de Lunas Marcianas (MMX) para recuperar muestras de una de las lunas de Marte. [51] Esta misión se basará en la experiencia que se obtendrá de las misiones Hayabusa2 y SLIM . [52] De las dos lunas , la órbita de Fobos está más cerca de Marte y su superficie puede haber adherido partículas provenientes del planeta rojo; por tanto, las muestras de Fobos recogidas por MMX pueden contener material procedente del propio Marte. [53] 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 . [54] [55] [56] [57] [58] Está destinado a utilizar el legado de diseño de Fobos-Grunt . [55] Los planes de 2011 preveían una arquitectura de dos etapas con un orbitador y un módulo de aterrizaje (pero sin capacidad itinerante), [59] con muestras recogidas de los alrededores inmediatos del módulo de aterrizaje por un brazo robótico. [54] [60]

La cápsula de aterrizaje Stardust como se ve en el suelo en el campo de entrenamiento y pruebas de Utah

Dado que actualmente se desconoce si existen formas de vida en Marte , la misión podría transferir organismos viables que resulten en una contaminación posterior : 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 por patogénesis o alteración ecológica, es extremadamente pequeño. [61] [62] [63] [64] [65] Las muestras devueltas de Marte se tratarán como potencialmente biopeligrosas hasta que los científicos puedan determinar que las muestras devueltas son seguras. El objetivo es reducir la probabilidad de liberación de una partícula de Marte a menos de una en un millón. [62]

La misión de retorno de muestras de Marte propuesta por la NASA no será aprobada por la NASA hasta que se haya completado el proceso de la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA). [66] Además, bajo los términos del Artículo VII del Tratado del Espacio Ultraterrestre y probablemente varios otros marcos legales, si ocurriera una liberación de organismos, la nación o naciones liberadoras serían responsables de los daños resultantes. [67]

Parte de la misión de devolución de muestras sería evitar el contacto entre el entorno marciano y el exterior del contenedor de muestras. [62] [66] Para eliminar el riesgo de falla del paracaídas, el plan actual es utilizar el sistema de protección térmica para amortiguar la cápsula en caso de impacto (a velocidad terminal ). El recipiente de la muestra estará diseñado para resistir la fuerza del impacto. [66] Para recibir las muestras devueltas, la NASA propuso una instalación de contención de nivel 4 de bioseguridad especialmente diseñada , la instalación de recepción de retorno de muestras de Marte (MSRRF). [68] No saber qué propiedades (por ejemplo, tamaño) podría exhibir cualquier organismo marciano es una complicación en el diseño de dicha instalación. [69]

Otros científicos e ingenieros, en particular Robert Zubrin de la Mars Society , argumentaron en el marginal Journal of Cosmology que el riesgo de contaminación es funcionalmente cero y que hay poca necesidad de preocuparse. Citan, entre otras cosas, la falta de cualquier incidente verificable, aunque se han intercambiado billones de kilogramos de material entre Marte y la Tierra debido a los impactos de meteoritos. [70]

El Comité Internacional Contra el Retorno de Muestras de Marte (ICAMSR) es un pequeño grupo de defensa dirigido por Barry DiGregorio, quien hace campaña contra una misión de retorno de muestras de Marte. Si bien ICAMSR reconoce una baja probabilidad de peligros biológicos, considera que las medidas de contención propuestas son insuficientes e inseguras en esta etapa. ICAMSR está exigiendo más estudios in situ en Marte primero y pruebas preliminares de riesgo biológico en la Estación Espacial Internacional antes de que las muestras lleguen a la Tierra. [71] [72] DiGregorio apoya 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 . [73] [74] DiGregorio también apoya una opinión marginal de que varios patógenos, como los virus comunes, se originan en el espacio y probablemente causaron algunas de las extinciones masivas y pandemias mortales . [75] [76] Estas afirmaciones que relacionan enfermedades terrestres y patógenos extraterrestres han sido rechazadas por la comunidad científica. [75]

El Sample-Return Robot Challenge, como parte del programa Centennial Challenges de la NASA, ofreció un total de US $ 1,5 millones a los equipos que pueden construir robots totalmente autónomos que pueden encontrar, recuperar y devolver hasta 10 tipos de muestras diferentes dentro de un gran entorno al aire libre (80.000 m 2 ). [77] El desafío comenzó en 2012 y finalizó en 2016. Más de 50 equipos compitieron durante los 5 años de duración de la competencia. Un robot llamado Cataglyphis, desarrollado por Team Mountaineers de la Universidad de West Virginia, completó el desafío final en 2016.

  • Life (película de 2017): historia ficticia ambientada en un futuro cercano, se centra en una sonda espacial robótica de retorno de muestras de Marte, que regresa a la Estación Espacial Internacional con muestras de suelo que potencialmente contienen evidencia de vida extraterrestre . A pesar de tomar cuidadosas precauciones, la vida de la tripulación corre peligro. La elección entre la seguridad personal y el riesgo de infectar la Tierra es un tema importante en la película.

  • ExoMars , buque insignia de múltiples misiones del programa Aurora
  • Fobos-Grunt , misión ruso-china de devolución de muestras a Fobos (luna de Marte) (se estrelló)
  • Mars 2020 rover, que incluye un muestreador
  • Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) (cancelado en 2011)
  • Meteorito marciano
  • Cronología de la exploración del Sistema Solar

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  • Muestra de debates sobre el regreso de Mars Presentado el 23 de febrero de 2010