jueves, 27 de octubre de 2016

THEO, una sonda para averiguar si hay vida en Encélado


THEO, una sonda para averiguar si hay vida en Encélado


Encélado es uno de los lugares del sistema solar con mayor potencial de habitabilidad gracias al océano global que tiene bajo la corteza de hielo y, lo que es excepcional, podemos estudiarlo directamente a través de los géiseres del hemisferio sur. El pasado mes de enero la NASA decidió incluir una sonda a Encélado y Titán entre las candidatas para la próxima misión tipo New Frontiers de la NASA, una decisión que ha causado cierto revuelo entre la comunidad científica. Todavía no lo sabemos cómo podría ser esa sonda, pero ya tenemos varios conceptos. Uno de ellos es THEO (Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean), una sonda destinada a conocer si existen procesos biológicos en esta pequeña luna de Saturno.

THEO (K. K. John et al.).
Sonda THEO para el estudio de Encélado (K. K. John et al.).
THEO usaría paneles solares para reducir los costes de la misión, por lo que se convertiría en la sonda alimentada por energía solar que alcanzase la mayor distancia al Sol. Los generadores de radioisótopos (RTGs) traen consigo una serie de inconvenientes capaces de disparar el coste de una misión por encima del límite asignado para una misión New Frontiers, aunque seguramente llevaría incorporado varios calefactores a base de plutonio (RHUs) como otras sondas (Cassini, Spirit, Opportunity, etc.).
Géiseres del polo sur de Encélado (NASA/JPL).
Géiseres del polo sur de Encélado (NASA/JPL).
Encélado podría tener un océano global (NASA).
Estructura interna de Encélado (NASA/JPL).
Los paneles de THEO tendrían 72 metros cuadrados de superficie y no serían rígidos, sino que se trataría de una variante del diseño ROSA (Roll-Out Solar Arrays) y se desenrollarían en el espacio como si de una alfombra se tratase. Estos paneles livianos podrían generar unos 594 vatios de potencia. La sonda propiamente dicha tendría una forma cilíndrica, con 4,5 metros de largo y 1,5 metros de diámetro, y estaría dotada de una antena de alta ganancia de 3 metros de diámetro.
La sonda estudiaría Encélado usando cinco instrumentos con nombres provisionales muy ingeniosos. DRIPS sería la cámara de la misión, destinada a ofrecer imágenes en alta resolución de Encélado, especialmente de las fracturas conocidas como ‘rayas de Tigre’ por donde salen los géiseres. El instrumento principal sería no obstante SWAMP, un espectrómetro de masas capaz de analizar la composición de los géiseres —y por extensión la del océano interior— y distinguir la presencia de biomarcadores. La estructura interior de Encélado se podría inferir gracias al instrumento de gravedad GEISER y WAVES estudiaría las emisiones de agua en el rango submilimétrico. Por último, OSMOSIS sería el magnetómetro de la sonda, con el objetivo de determinar las propiedades del océano salino a través del campo magnético inducido.
THEO podría despegar en 2026 y llegaría a Saturno a través de una trayectoria VEEGA con dos asistencias gravitatorias de la Tierra y una de Venus, por lo que no llegaría hasta el sistema de Saturno hasta 2036. Una vez en el sistema realizaría varios sobrevuelos de Rea, Dione, Titán y Tetis antes de situarse en órbita de Encélado. La sonda describiría tres tipos de órbitas alrededor de la Luna, a 500, 100 y 30 kilómetros de altura. La misión primaria duraría seis meses y luego la sonda abandonaría la órbita de Encélado para impactar contra Tetis con el fin de evitar el riesgo de contaminación del océano de Encélado con microorganismos terrestres.
Órbitas que realizaría THEO alrededor de Encélado (J.J.
Órbitas que realizaría THEO alrededor de Encélado (K.K. John et al.)
Este proyecto no es el primero propuesto para estudiar los géiseres de Encélado —ahí tenemos a JET, por ejemplo—, pero THEO es más modesto y se beneficia de los últimos avances en el estudio del sistema de Saturno. En definitiva es un concepto preliminar, pero es muy probable que si la NASA selecciona una misión para el estudio de Encélado y Titán para la próxima misión New Frontiers el diseño final no será muy diferente al de esta sonda.
Referencias:
  • http://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2016/pdf/1277.pdf
http://danielmarin.naukas.com/2016/03/30/theo-una-sonda-para-averiguar-si-hay-vida-en-encelado/
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Una sonda para estudiar Encélado

Encélado es, junto a Europa, el mundo del Sistema Solar que más atrae a los astrobiólogos. La existencia de géiseres de agua en el polo sur de esta luna es un indicio claro de la presencia de un mar subterráneo bajo la corteza de hielo. Por lo tanto, el estudio de Encélado es una de las prioridades de la comunidad científica -cuyo lema es ‘sigue la pista del agua’-, ¿pero cómo sería una sonda destinada a investigar en detalle este fascinante lugar?
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Encélado visto por la Cassini. Las marcas azuladas del polo sur son las famosas ‘rayas de tigre’ por donde surgen los géiseres (NASA).
A pesar de su pequeño tamaño, apenas 500 kilómetros de diámetro, Encélado es uno de los pocos mundos del Sistema Solar que actualmente están geológicamente activos. En este caso, las culpables de esta actividad son las fuerzas de marea que deforman esta pequeña luna, calentando su interior en el proceso. Por supuesto, y como suele ocurrir en ciencia, no todo el mundo está de acuerdo con la hipótesis de un mar de agua líquida bajo el polo sur de Encélado. Por ejemplo, de acuerdo con el modelo de los ‘géiseres fríos’ bastaría una bolsa de agua dentro de la corteza de hielo para crear los géiseres. Y otros modelos ni siquiera necesitan algo semejante y explican los chorros como cristales de hielo sublimados desde zonas de la superficie más calientes. El caso es que nadie sabe cómo se forman exactamente los géiseres, localizados todos ellos en las fracturas del polo sur conocidas como las ‘rayas de tigre’. Evidentemente, si queremos saber qué pasa exactamente en Encélado tenemos que ir allí.
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Modelo genérico del interior de Encélado (NASA).
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Modelo de géiser frío para explicar los chorros de Encélado con bolsas de agua líquida dentro de la corteza de hielo (Wikipedia).
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Modelo de sublimación para explicar los géiseres con un océano interno de agua y amoniaco a una temperatura de -103º C (Wikipedia).
Lo malo es que sabemos que las cosas en la NASA no están para echar cohetes precisamente, así que una misión a Encélado debería tener un presupuesto muy bajo si quiere tener alguna oportunidad de ser aprobada. Un ejemplo de este tipo de misión es JET, una sonda de bajo coste que sobrevolaría los géiseres de Encélado para estudiar su composición y averiguar si existe o no un mar subterráneo. JET está muy bien -y ya podemos darnos con un canto en los dientes si nuestra generación logra ser testigo de una misión así-, pero dejemos por un momento que nuestra imaginación vuele libremente y supongamos que vivimos en un mundo alternativo donde la NASA dispone de un presupuesto mucho mayor. En ese caso, ¿qué sonda sería la ideal?
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Las ‘rayas de tigre’ destacan en esta imagen de infrarrojo tomada por la Cassini, lo que demuestra que están a una temperatura superior al resto de la superficie (NASA).
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Dos modelos de la estructura interna de Encélado (NASA).
Pues lógicamente, una sonda de tipo Flagship. De este tipo son las misiones más caras de la NASA, como por ejemplo Curiosity o Cassini. Dependiendo del presupuesto real y la configuración de la sonda, la NASA concibió ya en 2007 tres posibles misiones a Encélado de tipo Flagship. La más ambiciosa sería una sonda que orbitaría Encélado y depositaría un pequeño vehículo de aterrizaje en el polo sur. Esta versión se denominó Enceladus-OL (por ‘orbiter’ y ‘lander’). Una variante más económica -y menos arriesgada- sería un orbitador de Encélado, o Enceladus-O. Por último, la opción más conservadora sería un orbitador de Saturno que sobrevolaría ocasionalmente Encélado, como la Cassini. Para compensar el poco atractivo de una misión así, esta sonda dispondría de un vehículo de aterrizaje, por lo que esta versión ha sido bautizada como Saturn-OL. Tanto Enceladus-OL como Enceladus-O estarían dotadas de una etapa propulsora (booster) con propergoles hipergólicos que se usaría para la inserción orbital en órbita de Saturno y alguna que otra maniobra propulsiva. Esta etapa se desecharía antes de la inserción orbital alrededor de Encélado.
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Los géiseres de Encélado vistos por la Cassini (NASA).
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Los géiseres de Encélado (en medio de la imagen) son la fuente que alimenta de partículas de hielo al anillo E (NASA).
Las tres versiones serían lanzadas mediante un cohete Delta-IV Heavy (el lanzador norteamericano más potente en servicio) y alcanzarían Saturno mediante propulsión química o con una etapa superior de propulsión eléctrica (SEP). Si se opta por la propulsión química tradicional, serían necesarios varios sobrevuelos planetarios para conseguir la velocidad adecuada. La trayectoria más prometedora es la VVEES, es decir, aquella que incluye dos sobrevuelos de Venus y dos de la Tierra. En este caso se podría llegar a Saturno en ‘sólo’ doce años (!). Por contra, si decidimos usar la SEP, el tiempo de vuelo se reduciría a 6,5-7,5 años, incluyendo un sobrevuelo de la Tierra. De emplearse, la SEP estaría encendida durante unos mil días al comienzo de la misión y contaría con cuatro motores iónicos (uno de ellos de reserva) a base de xenón. Por supuesto, en cualquiera de los casos se emplearían generadores de radioisótopos (RTG) para producir electricidad. Lo ideal sería emplear RTG de tipo Stirling (ASRG) para reducir la cantidad de plutonio, pero estos sistemas han sido recientemente cancelados por la NASA. Las tres versiones también llevarían un blindaje de Kevlar-epoxy para protegerse del choque con las partículas de los géiseres de Encélado.
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Posibles trayectorias a Saturno usando sobrevuelos planetarios (NASA).
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Trayectoria a Saturno con una etapa SEP y un sobrevuelo de la Tierra para alcanzar el objetivo en unos 7 años (NASA).
Desgraciadamente, debido a la geometría orbital no podremos usar la gravedad de Júpiter para alcanzar Saturno hasta 2035 (sí, la Cassini tuvo mucha suerte). Una vez en órbita de Saturno, la sonda sobrevolaría Titán -y de paso lo estudiaría con sus instrumentos- para ajustar su órbita de tal forma que pudiera pasar por Encélado. Para la versión orbitadora se incluirían además sobrevuelos de Rea. En el caso de la variante con un aterrizador serían necesarios sobrevuelos de Rea y Dione para alcanzar el objetivo.
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Órbita de trabajo inicial de una misión a Encélado (NASA).
La variante Enceladus-OL, con una masa al lanzamiento de 6,3 toneladas, se pondría en órbita de Saturno y durante tres años y medio procedería a realizar 30 sobrevuelos de Rea y 45 de Dione para reducir la Delta-V de la inserción orbital en Encélado en unos 2,13 km/s. La órbita alrededor de Encélado tendría una altura de 200 kilómetros y una inclinación de 45º, con una velocidad orbital de unos 130 m/s. Una vez al año durante el transcurso de la misión se intentaría situar al orbitador en una órbita polar de 100 kilómetros de altura durante 24 horas para mejorar la cobertura de la superficie y explorar en profundidad el polo sur.
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Elementos y configuración de lanzamiento de la misión Enceladus-OL (NASA).
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Detalles de la sonda Enceladus-OL (NASA).
El aterrizador se separaría al final de la misión primaria desde la órbita inclinada 45º, por lo que debería realizar una maniobra para situarse en una trayectoria que cruzase el polo sur de Encélado. La zona de aterrizaje estaría situada entre los 70º de latitud sur y el polo austral, o sea, donde se encuentran las famosas ‘rayas de tigre’. Por supuesto, el aterrizaje sería totalmente autónomo, para lo cual se emplearía software capaz de guiar a la nave a partir de las imágenes del terreno y de un altímetro láser LIDAR El sistema de propulsión sería monopropelente e incluiría un motor de 22 newtons de empuje a base de hidracina. Al igual que ocurría durante los alunizajes de la mayoría de sondas automáticas, los motores se apagarían a unos veinte metros de altura y la sonda caería lentamente hasta la superficie para evitar así que pudiera volcar durante el contacto con el suelo.
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Aterrizador de la misión Enceladus-OL (NASA).
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Trayectoria del aterrizador (NASA).
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Secuencia de aterrizaje (NASA).
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Vista en alta resolución del polo sur de Encélado por la Cassini (NASA).
La sonda de aterrizaje estudiaría directamente la composición de los géiseres y mediante un sismómetro intentaría dilucidar la estructura interna de Encélado, aunque sin duda lo más espectacular serían las imágenes de la superficie helada. Este aterrizador no usaría RTGs, así que dependería exclusivamente de baterías, de ahí que su misión no podría exceder los ocho días. La misión Enceladus-OL tendría una duración total de entre 14 y 17 años, siete de ellos en Saturno.
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Esquema de la misión Enceladus-OL (NASA).
La versión orbitadora Enceladus-O no incluiría una sonda de aterrizaje, pero a cambio dispondría de un radar de apertura sintética para estudiar el espesor y propiedades de la corteza de hielo de Encélado. Hasta treinta sobrevuelos de Rea en un plazo de dos años y medio serían necesarios para reducir la Delta-V de la maniobra de inserción orbital alrededor de Encélado en unos 1,6 km/s. La órbita inicial tendría unos 45º de inclinación, por lo que sería necesario un cambio de plano para alcanzar una órbita polar que permitiese cartografiar toda la superficie de Encélado con la mayor resolución posible. Enceladus-O tendría una masa de 5,8 toneladas al lanzamiento, aunque el orbitador propiamente dicho sólo pesaría 1,9 toneladas.
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Elementos y configuración de lanzamiento de Enceladus-O (NASA).
Por último, la versión Saturn-OL usaría una etapa SEP para acortar el tiempo de vuelo a unos siete años y no estaría dotada de una etapa propulsora al no existir la necesidad de situarse en órbita de Encélado. Una vez situada en órbita alrededor de Saturno, ajustaría su trayectoria gracias a Titán para efectuar un sobrevuelo de Encélado cada 8,22 días. En total, la sonda llevaría a cabo unos 50 sobrevuelos de Encélado. Los primeros 33 serían para cartografiar la luna en alta resolución y analizar los géiseres (12 sobrevuelos atravesarían directamente los chorros). 15 sobrevuelos adicionales servirían para realizar experimentos de radio y refinar así los modelos de la estructura del interior de Encélado. Los dos últimos sobrevuelos estarían reservados para las operaciones con el vehículo de aterrizaje.
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Sonda Saturn-OL con una etapa propulsora SEP (NASA).
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Configuración de lanzamiento de la Saturn-OL (NASA).
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Sonda de aterrizaje de Saturn-OL (NASA).
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Secuencia de aterrizaje (NASA).
Al no estar en órbita de Encélado, el aterrizador debería realizar maniobras propulsivas con una Delta-V de 3,6 km/s para posarse en la superficie. Por lo tanto, la cantidad de combustible que debería portar sería mucho mayor que en el caso de la versión Enceladus-OL. La secuencia de aterrizaje y operaciones de superficie serían similares a las del Enceladus-OL, pero en este caso el aterrizador debería grabar todos los datos para transmitirlos al orbitador durante su siguiente paso por Encélado unos ocho días después.
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Esquema de la misión Saturn-OL (NASA).
Actualmente no existe ningún proyecto para mandar una sonda a Encélado y, si tenemos en cuenta que ni siquiera se ha aprobado la misión Europa Clipper, no creo que veamos ninguno en mucho, mucho tiempo. Pero más tarde o más temprano cambiaremos de opinión y entonces alguien se decidirá a explorar el misterioso polo sur de esta pequeña y fascinante luna.
Referencias:
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