Misión de devolución de muestras

Una misión de devolución de muestras es una misión de una nave espacial para recolectar y devolver muestras de una ubicación extraterrestre a la Tierra para su análisis. Las misiones de retorno de muestras pueden traer de vuelta simplemente átomos y moléculas o un depósito de compuestos complejos como material suelto ("suelo") y rocas. Estas muestras pueden obtenerse de varias formas, como excavación de suelo y roca o una matriz de colectores utilizada para capturar partículas de viento solar o detritos cometarios.

La Roca Génesis , devuelta por la misión lunar Apolo 15 en 1971.
Los astronautas del Apolo trabajan en la Luna para recolectar muestras y explorar. Cerca del cráter Shorty encontraron un regolito lunar naranja.

Hasta la fecha, las muestras de rocas lunares de la Tierra Luna han sido recogidos por las misiones robóticas y tripuladas, el cometa Wild 2 y los asteroides 25143 Itokawa y 162.173 Ryugu han sido visitados por la nave espacial robótica que volvió muestras a la Tierra, y las muestras del viento solar tienen devuelto por la misión robótica Génesis . Las muestras del asteroide 101955 Bennu están en camino de regreso a la Tierra y se espera que lleguen en septiembre de 2023.

Además de las misiones de devolución de muestras, se han recolectado muestras de tres cuerpos no terrestres identificados por medios distintos de las misiones de devolución de muestras: muestras de la Luna en forma de meteoritos lunares , muestras de Marte en forma de meteoritos marcianos y muestras de Vesta en forma de meteoritos HED .

El patrón de Widmanstätten que se puede encontrar dentro de los meteoritos de hierro-níquel, se cree que tiene la misma clasificación que el asteroide 16 Psyche . [1]
Un meteorito probablemente del asteroide (4) Vesta que cayó sobre África. La devolución de muestras puede ayudar a corroborar el análisis de meteoritos y los resultados astronómicos.
Otro meteorito que se cree que es del antiguo Marte

Las muestras disponibles en la Tierra se pueden analizar en laboratorios , por lo que podemos ampliar nuestra comprensión y conocimiento como parte del descubrimiento y exploración del Sistema Solar . Hasta ahora, muchos descubrimientos científicos importantes sobre el Sistema Solar se hicieron de forma remota con telescopios , y algunos cuerpos del Sistema Solar fueron visitados por naves espaciales en órbita o incluso aterrizando con instrumentos capaces de detección remota o análisis de muestras. Si bien tal investigación del Sistema Solar es técnicamente más fácil que una misión de devolución de muestras, las herramientas científicas disponibles en la Tierra para estudiar tales muestras son mucho más avanzadas y diversas que las que pueden llevarse en naves espaciales. Además, el análisis de muestras en la Tierra permite el seguimiento de cualquier hallazgo con diferentes herramientas, incluidas herramientas que pueden distinguir el material extraterrestre intrínseco de la contaminación terrestre, [2] y aquellos que aún no se han desarrollado; por el contrario, una nave espacial solo puede llevar un conjunto limitado de herramientas analíticas, y estas deben elegirse y construirse mucho antes del lanzamiento.

Las muestras analizadas en la Tierra se pueden comparar con los hallazgos de la teledetección para obtener más información sobre los procesos que formaron el Sistema Solar . Esto se hizo, por ejemplo, con los hallazgos de la nave espacial Dawn , que visitó el asteroide Vesta de 2011 a 2012 para obtener imágenes, y muestras de meteoritos HED (recopilados en la Tierra hasta entonces), que se compararon con los datos recopilados por Dawn. [3] Estos meteoritos podrían identificarse como material expulsado del gran cráter de impacto Rheasilvia en Vesta. Esto permitió deducir la composición de la corteza, manto y núcleo de Vesta. De manera similar, algunas diferencias en la composición de los asteroides (y, en menor medida, las diferentes composiciones de los cometas ) se pueden discernir solo mediante imágenes. Sin embargo, para un inventario más preciso del material en estos diferentes cuerpos, se recolectarán y devolverán más muestras en el futuro, para hacer coincidir sus composiciones con los datos recopilados a través de telescopios y espectroscopía astronómica .

Otro foco de dicha investigación, además de la composición básica y la historia geológica de los diversos cuerpos del Sistema Solar, es la presencia de los componentes básicos de la vida en los cometas, asteroides, Marte o las lunas de los gigantes gaseosos . Actualmente se están preparando varias misiones de retorno de muestras a asteroides y cometas. Más muestras de asteroides y cometas ayudarán a determinar si la vida se formó en el espacio y fue llevada a la Tierra por meteoritos. Otra cuestión que se está investigando es si la vida extraterrestre se formó en otros cuerpos del Sistema Solar como Marte o en las lunas de los gigantes gaseosos , y si la vida podría existir allí. El resultado del último "Estudio Decadal" de la NASA fue dar prioridad a una misión de retorno de muestras a Marte, ya que Marte tiene una importancia especial: está comparativamente "cerca", podría haber albergado vida en el pasado e incluso podría continuar sustentando vida. La luna de Júpiter, Europa, es otro foco importante en la búsqueda de vida en el Sistema Solar. Sin embargo, debido a la distancia y otras limitaciones, Europa podría no ser el objetivo de una misión de devolución de muestras en el futuro previsible.

La protección planetaria tiene como objetivo prevenir la contaminación biológica tanto del cuerpo celeste objetivo como de la Tierra en el caso de misiones de retorno de muestras. Un retorno de muestra de Marte u otro lugar con el potencial de albergar vida es una misión de categoría V bajo COSPAR , que dirige a la contención de cualquier muestra no esterilizada devuelta a la Tierra. Esto se debe a que se desconocen los efectos que esta vida hipotética tendría en los humanos o en la biosfera de la Tierra. [4] Por esta razón, Carl Sagan y Joshua Lederberg argumentaron en la década de 1970 que deberíamos hacer misiones de retorno de muestras clasificadas como misiones de categoría V con extrema precaución, y estudios posteriores de la NRC y la ESF estuvieron de acuerdo. [4] [5] [6] [7] [8]

Primeras misiones

Apolo 11 fue la primera misión en devolver muestras extraterrestres.
Roca lunar del signo interpretativo del Apolo 15 .
Roca lunar del Apolo 15 en el Centro de visitantes Ames de la NASA .

El programa Apollo devolvió más de 382 kg (842 lb) de rocas lunares y regolitos (incluido el "suelo" lunar ) al Laboratorio de Recepción Lunar en Houston . [9] [10] [11] Hoy en día, el 75% de las muestras se almacenan en la Instalación del Laboratorio de Muestras Lunar construida en 1979. [12] En julio de 1969, el Apolo 11 logró el primer retorno de muestra exitoso de otro cuerpo del Sistema Solar. Devolvió aproximadamente 22 kilogramos (49 libras) de material de la superficie lunar. Esto fue seguido por 34 kilogramos (75 libras) de material y Surveyor 3 partes del Apolo 12 , 42,8 kilogramos (94 libras) de material del Apolo 14 , 76,7 kilogramos (169 libras) de material del Apolo 15 , 94,3 kilogramos (208 libras) de material del Apolo 16 y 110,4 kilogramos (243 libras) de material del Apolo 17 . [ cita requerida ]

Uno de los avances más significativos en las misiones de retorno de muestras ocurrió en 1970 cuando la misión robótica soviética conocida como Luna 16 devolvió con éxito 101 gramos (3,6 oz) de suelo lunar. Asimismo, Luna 20 devolvió 55 gramos (1,9 oz) en 1974, y Luna 24 devolvió 170 gramos (6,0 oz) en 1976. Aunque se recuperaron mucho menos que las misiones Apollo, lo hicieron de forma totalmente automática. Aparte de estos tres éxitos, fracasaron otros intentos del programa Luna . Las dos primeras misiones estaban destinadas a superar al Apolo 11 y se llevaron a cabo poco antes que ellas en junio y julio de 1969: el Luna E-8-5 No. 402 falló al inicio y el Luna 15 se estrelló en la Luna. Más tarde, otras misiones de retorno de muestras fallaron: Kosmos 300 y Kosmos 305 en 1969, Luna E-8-5 No. 405 en 1970, Luna E-8-5M No. 412 en 1975 tuvieron lanzamientos fallidos y Luna 18 en 1971 y Luna 23 en 1974 tuvo aterrizajes fallidos en la Luna. [13]

En 1970, la Unión Soviética planeó una primera misión marciana de retorno de muestras en 1975 en el proyecto Mars 5NM . Esta misión se planeó para usar un cohete N1 , pero como este cohete nunca voló con éxito, la misión evolucionó hacia el proyecto Mars 5M , que usaría un lanzamiento doble con el cohete Proton más pequeño y un ensamblaje en una estación espacial Salyut . Esta misión Mars 5M se planeó para 1979, pero se canceló en 1977 debido a problemas técnicos y complejidad; se ordenó la destrucción de todo el hardware. [14]

Decenio de 1990

El experimento Orbital Debris Collection (ODC) desplegado en la estación espacial Mir durante 18 meses en 1996-1997 utilizó aerogel para capturar partículas de la órbita terrestre baja, incluyendo tanto polvo interplanetario como partículas artificiales. [15]

2000

Representación de un artista de Génesis recolectando viento solar .

La siguiente misión para devolver muestras extraterrestres fue la misión Génesis , que devolvió muestras de viento solar a la Tierra desde más allá de la órbita terrestre en 2004. Desafortunadamente, la cápsula Génesis no pudo abrir su paracaídas al volver a entrar en la atmósfera de la Tierra y se estrelló en Utah. Desierto. Se temía una contaminación severa o incluso la pérdida total de la misión, pero los científicos lograron salvar muchas de las muestras. Fueron los primeros en ser recolectados más allá de la órbita lunar. Genesis usó una matriz colectora hecha de obleas de silicio , oro , zafiro y diamante ultrapuros . Cada oblea diferente se usó para recolectar una parte diferente del viento solar . [ cita requerida ]

Cápsula de retorno de muestra de la misión Stardust

Génesis fue seguido por la NASA 's Stardust nave espacial, que volvió muestras del cometa a la Tierra el 15 de enero de 2006. Se forma segura aprobada por cometa Wild 2 y se recoge muestras de polvo de del cometa coma , mientras que la formación de imágenes núcleo del cometa. Stardust utilizó una matriz colectora hecha de aerogel de baja densidad (el 99% del cual es espacio), que tiene aproximadamente 1/1000 de la densidad del vidrio. Esto permite la recolección de partículas cometarias sin dañarlas debido a las altas velocidades de impacto. Las colisiones de partículas con colectores sólidos incluso ligeramente porosos resultarían en la destrucción de esas partículas y daños en el aparato de recolección. Durante el crucero, la matriz recogió al menos siete partículas de polvo interestelar. [dieciséis]

2010 y 2020

En junio de 2010, la sonda Hayabusa de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) devolvió muestras de asteroides a la Tierra después de un encuentro con (y un aterrizaje en) el asteroide tipo S 25143 Itokawa . En noviembre de 2010, los científicos de la agencia confirmaron que, a pesar de la falla del dispositivo de muestreo, la sonda recuperó microgramos de polvo del asteroide, el primero traído a la Tierra en perfectas condiciones. [17]

El ruso Fobos-Grunt fue una misión fallida de devolución de muestras diseñada para devolver muestras de Fobos , una de las lunas de Marte. Fue lanzado el 8 de noviembre de 2011, pero no pudo dejar la órbita terrestre y se estrelló después de varias semanas en el sur del Océano Pacífico. [18] [19]

OSIRIS-REx recolectando una muestra del asteroide 101955 Bennu
- ( Imagen de tamaño completo )

La Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) lanzó la mejora de Hayabusa 2 sonda espacial el 3 de diciembre de 2014. Hayabusa 2 llegó al objetivo cercano a la Tierra C-tipo asteroide 162173 Ryugu (previamente designada 1999 JU 3 ) el 27 de junio de 2018. [20] Se examinó el asteroide durante un año y medio y tomó muestras. Dejó el asteroide en noviembre de 2019 [21] [22] y regresó a la Tierra el 6 de diciembre de 2020. [23]

La misión OSIRIS-REx se lanzó en septiembre de 2016 con la misión de devolver muestras del asteroide 101955 Bennu . [24] [25] Se espera que las muestras permitan a los científicos aprender más sobre el tiempo antes del nacimiento del Sistema Solar, las etapas iniciales de formación de planetas y la fuente de compuestos orgánicos que llevaron a la formación de vida. [26] Llegó a las proximidades de Bennu el 3 de diciembre de 2018, [27] donde comenzó a analizar su superficie para un área de muestra objetivo durante los próximos meses. Recogió su muestra el 20 de octubre de 2020, [28] [29] y se espera que regrese a la Tierra el 24 de septiembre de 2023. [30] [31]

China lanzó la misión de retorno de muestras lunares Chang'e 5 el 23 de noviembre de 2020, que regresó a la Tierra con 2 kilogramos de suelo lunar el 16 de diciembre de 2020. [32] Fue el primer retorno de muestras lunares en más de 40 años. [33]

Misiones futuras

Vehículo de ascenso en su cubierta protectora, diseño 2009 ESA-NASA. [34]

Rusia tiene planes para que las misiones Luna-Glob devuelvan muestras de la Luna para 2027 y Mars-Grunt devuelva muestras de Marte a fines de la década de 2020.

JAXA está desarrollando la misión MMX , una misión de retorno de muestras a Fobos que se lanzará en 2024. [35] MMX estudiará ambas lunas de Marte , pero el aterrizaje y la recolección de muestras estarán en Fobos. Esta selección se hizo debido a las dos lunas, la órbita de Fobos está más cerca de Marte y su superficie puede tener partículas expulsadas de Marte. Por tanto, la muestra puede contener material procedente del propio Marte. [36] Se espera que un módulo de propulsión que transporta la muestra regrese a la Tierra aproximadamente en septiembre de 2029. [37]

China lanzará la misión de retorno de muestras lunares Chang'e 6 en 2023.

China tiene planes para una misión de retorno de muestras a Marte para 2030. [38] [39] Además, la Agencia Espacial China está diseñando una misión de recuperación de muestras de Ceres que tendrá lugar durante la década de 2020. [40]

La NASA ha planeado durante mucho tiempo una misión marciana de retorno de muestras , [41] pero aún tiene que asegurar el presupuesto para diseñar, construir, lanzar y aterrizar con éxito una sonda de este tipo. La misión se mantuvo en la hoja de ruta de la NASA para la ciencia planetaria a partir de la Encuesta Decadal de Ciencias Planetarias de 2013 . [42] El rover Perseverance , lanzado en 2020, recolectará muestras de núcleos de perforación y las guardará en la superficie de Marte para 2023, pero no está claro cómo se recuperarán del escondite y se devolverán a la Tierra. [43]

Las misiones de retorno de muestras de cometas [44] siguen siendo una prioridad de la NASA. El retorno de muestras de la superficie del cometa fue uno de los seis temas de propuestas para la cuarta misión New Frontiers de la NASA . [45]

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) [46] [47]
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

Animación del movimiento del brazo de TAGSAM

Los métodos de devolución de muestras incluyen, entre otros, los siguientes:

Un conjunto de colectores Genesis que consta de una rejilla de obleas ultrapuras de silicio, oro, zafiro y diamante.

Matriz de colectores

Se puede usar una matriz colectora para recolectar millones o miles de millones de átomos, moléculas y partículas finas mediante el uso de obleas hechas de diferentes elementos. La estructura molecular de estas obleas permite la recolección de partículas de varios tamaños. Los arreglos de colectores, como los que se transportan en Genesis , son ultrapuros para garantizar la máxima eficiencia de recolección, durabilidad y distinción analítica.

Las matrices de colectores son útiles para recolectar átomos diminutos que se mueven rápidamente, como los expulsados ​​por el Sol a través del viento solar, pero también se pueden usar para recolectar partículas más grandes, como las que se encuentran en la coma de un cometa. La nave espacial de la NASA conocida como Stardust implementó esta técnica. Sin embargo, debido a las altas velocidades y el tamaño de las partículas que forman la coma y el área cercana, una matriz de colectores de estado sólido denso no era viable. Como resultado, se tuvo que diseñar otro medio para recolectar muestras para preservar la seguridad de la nave espacial y las propias muestras.

Aerogel

Una partícula capturada en aerogel.

El aerogel es un sólido poroso a base de sílice con una estructura esponjosa, el 99,8% de cuyo volumen es espacio vacío. El aerogel tiene aproximadamente 1/1000 de la densidad del vidrio. Se usó un aerogel en la nave espacial Stardust porque las partículas de polvo que debía recolectar la nave espacial tendrían una velocidad de impacto de aproximadamente 6 km / s. [48] Una colisión con un sólido denso a esa velocidad podría alterar su composición química o quizás vaporizarlos por completo.

Dado que el aerogel es en su mayor parte transparente y las partículas dejan un camino en forma de zanahoria una vez que penetran en la superficie, los científicos pueden encontrarlas y recuperarlas fácilmente. Dado que sus poros están en la escala nanométrica , las partículas, incluso las más pequeñas que un grano de arena, no atraviesan el aerogel por completo. En cambio, reducen la velocidad hasta detenerse y luego se incrustan en él.

Diseño Mars 5NM. Esta sonda fue diseñada para devolver una muestra de Marte a finales de los 70
Ilustración de la sonda Mars 5 NM realizando una corrección de rumbo

La nave espacial Stardust tiene un colector en forma de raqueta de tenis con aerogel instalado. El colector se retrae en su cápsula para un almacenamiento seguro y entrega a la Tierra. El aerogel es bastante fuerte y sobrevive fácilmente tanto en entornos de lanzamiento como en el espacio exterior .

Excavación y retorno robóticos

Algunos de los tipos de misiones de retorno de muestras más arriesgados y difíciles son aquellos que requieren aterrizar en un cuerpo extraterrestre como un asteroide, una luna o un planeta. Se necesita una gran cantidad de tiempo, dinero y capacidad técnica para incluso iniciar tales planes. Es una hazaña difícil que requiere que todo, desde el lanzamiento hasta el aterrizaje, la recuperación y el lanzamiento de regreso a la Tierra, se planifique con alta precisión y exactitud.

Este tipo de devolución de muestras, aunque conlleva la mayor cantidad de riesgos, es el más gratificante para la ciencia planetaria. Además, estas misiones tienen un gran potencial de divulgación pública, que es un atributo importante para la exploración espacial cuando se trata de apoyo público. Las únicas misiones robóticas de retorno de muestras exitosas de este tipo han sido los módulos de aterrizaje soviéticos de la Luna y el chino Chang'e 5 . [ cita requerida ]

Misiones tripuladas

Fecha de lanzamiento Operador Nombre Origen de la muestra Muestras devueltas Fecha de recuperación Resultado de la misión
16 de julio de 1969  Estados Unidos Apolo 11 Luna 22 kilogramos (49 lb) 24 de julio de 1969 Exitoso
14 de noviembre de 1969 Estados Unidos Apolo 12 Luna 34 kilogramos (75 lb) y Surveyor 3 partes [nota 1] [49]24 de noviembre de 1969 Exitoso
11 de abril de 1970 Estados Unidos Apolo 13 Luna - 17 de abril de 1970 Ha fallado
31 de enero de 1971 Estados Unidos Apolo 14 Luna 43 kilogramos (95 lb) 9 de febrero de 1971 Exitoso
26 de julio de 1971 Estados Unidos Apolo 15 Luna 77 kilogramos (170 libras) 7 de agosto de 1971 Exitoso
16 de abril de 1972 Estados Unidos Apolo 16 Luna 95 kilogramos (209 lb) 27 de abril de 1972 Exitoso
7 de diciembre de 1972 Estados Unidos Apolo 17 Luna 111 kilogramos (245 lb) 19 de diciembre de 1972 Exitoso
22 de marzo de 1996 Estados Unidos /
 Rusia 		Recolección de desechos orbitales terrestres Orbita terrestre baja Partículas 6 de octubre de 1997 Exitoso [50]
14 de abril de 2015  Japón  /
Estados Unidos 		Misión Tanpopo Orbita terrestre baja Partículas Febrero de 2018 [51]Exitoso

Misiones robóticas

Fecha de lanzamiento Operador Nombre Origen de la muestra Muestras devueltas Fecha de recuperación Resultado de la misión
14 de junio de 1969  Unión Soviética Luna E-8-5 No. 402 Luna
-
-
Falla
13 de julio de 1969 Unión Soviética Luna 15 Luna
-
-
Falla
23 de septiembre de 1969 Unión Soviética Kosmos 300 Luna
-
-
Falla
22 de octubre de 1969 Unión Soviética Kosmos 305 Luna
-
-
Falla
6 de febrero de 1970 [13] Unión Soviética Luna E-8-5 No. 405 Luna
-
-
Falla
12 de septiembre de 1970 Unión Soviética Luna 16 Luna 101 gramos (3.6 oz) 24 de septiembre de 1970 Éxito
2 de septiembre de 1971 Unión Soviética Luna 18 Luna
-
-
Falla
14 de febrero de 1972 Unión Soviética Luna 20 Luna 55 gramos (1,9 oz) 25 de febrero de 1972 Éxito
2 de noviembre de 1974 Unión Soviética Luna 23 Luna
-
-
Falla
16 de octubre de 1975 Unión Soviética Luna E-8-5M No. 412 Luna
-
-
Falla
9 de agosto de 1976 Unión Soviética Luna 24 Luna 170 gramos (6.0 oz) 22 de agosto de 1976 Éxito
7 de febrero de 1999 Estados Unidos Stardust 81P / Salvaje Partículas , que pesan aproximadamente 1 gramo (0.035 oz)15 de enero de 2006 Éxito
8 de agosto de 2001 Estados Unidos Génesis Viento solar Partículas 9 de septiembre de 2004 Éxito (parcial)
9 de mayo de 2003  Japón Hayabusa 25143 Itokawa Partículas que pesen menos de 1 gramo (0.035 oz)13 de junio de 2010 Éxito (parcial)
8 de noviembre de 2011  Rusia Fobos-Grunt Fobos
-
-
Falla
3 de diciembre de 2014 Japón Hayabusa2 162173 Ryugu 5,4 gramos (0,19 oz) [52] (incluidas las muestras de gas)6 de diciembre de 2020 Éxito
8 de septiembre de 2016 Estados Unidos OSIRIS-REx 101955 Bennu
En tránsito
24 de septiembre de 2023 En marcha
23 de noviembre de 2020  porcelana Chang'e 5 Luna 1,731 gramos (61,1 oz) 16 de diciembre de 2020 Éxito
2023 porcelana Chang'e 6 Luna
-
2023 Planificado
2024 Japón MMX Fobos
-
2029 Planificado
2026 Estados Unidos /
Unión Europea 		Misión de retorno de muestras a Marte Marte
-
2031 Planificado

  • Minería de asteroides
  • Exploración de Marte
  • Exploración de la Luna
  • Curación de muestras extraterrestres
  • Lista de sondas lunares
  • Exploración robótica de la Luna
  • Cronología de la exploración del Sistema Solar

  1. ^ Los astronautas del Apolo 12 retiraron varios componentes del Surveyor 3 , incluida la cámara de televisión, y los devolvieron a la Tierra, donde la NASA los trata como muestras lunares. Devolvió aproximadamente 10 kilogramos (22 libras) de la masa de aterrizaje original del Surveyor 3 de 302 kilogramos (666 libras) a la Tierra para estudiar los efectos de la exposición a largo plazo. Surveyor 3 es la única sonda visitada por humanos en otro mundo.

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