Programa de exploración de Marte

La astrobiología , la climatología y la geología han sido temas comunes en las misiones del Programa de Exploración de Marte, como el Mars Exploration Rover (izquierda) y el Mars Science Laboratory (derecha).

Según la NASA, el MEP tiene cuatro objetivos generales, todos relacionados con la comprensión del potencial de vida en Marte. ^{[ 6 ]}

• Determinar si alguna vez existió vida en Marte : Para comprender el potencial de habitabilidad de Marte , es necesario determinar si alguna vez existió vida en el planeta, lo cual comienza con la evaluación de su idoneidad para la vida. La estrategia principal del MEP, apodado "Seguir el agua", se basa en la idea general de que donde hay agua, hay vida (al menos en la Tierra). Es probable que, si alguna vez surgió vida en Marte, se necesitaría un suministro de agua presente durante un período de tiempo considerable. Por lo tanto, un objetivo primordial del MEP es buscar lugares donde haya, haya habido o pueda haber agua, como lechos de ríos secos, bajo la superficie planetaria y en los casquetes polares de Marte. Además del agua, la vida también necesita fuentes de energía para sobrevivir. La abundancia de superóxidos hace que la vida en la superficie de Marte sea muy improbable, lo que prácticamente descarta la luz solar como posible fuente de energía. Por lo tanto, se deben buscar fuentes de energía alternativas, como la energía geotérmica y la química . Estas fuentes, utilizadas por formas de vida en la Tierra, podrían ser utilizadas por formas de vida microscópicas que habitan bajo la superficie de Marte. La vida en Marte también puede buscarse mediante la detección de indicios de vida pasada y presente, o biofirmas . La abundancia relativa de carbono, así como su ubicación y las formas en que se encuentra, pueden indicar dónde y cómo pudo haberse desarrollado la vida. Además, la presencia de minerales carbonatados , junto con el hecho de que la atmósfera de Marte está compuesta principalmente de dióxido de carbono , indicaría a los científicos que el agua pudo haber estado presente en el planeta el tiempo suficiente para propiciar el desarrollo de la vida. ^{[ 7 ]}
• Caracterizar el clima de Marte : Otro objetivo del MEP es caracterizar tanto el clima actual como el pasado de Marte , así como los factores que influyen en el cambio climático en Marte. Actualmente se sabe que el clima está regulado por los cambios estacionales de los casquetes polares marcianos, el movimiento del polvo atmosférico y el intercambio de vapor de agua entre la superficie y la atmósfera. Comprender estos fenómenos climáticos significa ayudar a los científicos a modelar con mayor eficacia el clima pasado de Marte, lo que conlleva un mayor grado de comprensión de la dinámica marciana. ^{[ 8 ]}
• Caracterizar la geología de Marte : La geología de Marte se diferencia de la de la Tierra, entre otras cosas, por sus volcanes extremadamente grandes y la ausencia de movimiento de la corteza. Uno de los objetivos del MEP es comprender estas diferencias con la Tierra, así como la forma en que el viento, el agua, los volcanes, la tectónica, la formación de cráteres y otros procesos han moldeado la superficie de Marte. Las rocas pueden ayudar a los científicos a describir la secuencia de eventos en la historia de Marte, determinar si hubo abundancia de agua en el planeta mediante la identificación de minerales que se forman solo en agua, y determinar si Marte alguna vez tuvo un campo magnético (lo que indicaría que Marte fue en algún momento un planeta dinámico similar a la Tierra). ^{[ 9 ]}
• Prepárense para la exploración humana de Marte : una misión humana a Marte representa un desafío de ingeniería enorme. Dado que la superficie marciana contiene superóxidos y carece de magnetosfera y capa de ozono que la protejan de la radiación solar, los científicos tendrían que comprender a fondo la dinámica de Marte antes de poder emprender cualquier acción para lograr el objetivo de enviar humanos a Marte. ^{[ 10 ]}

Históricamente, las misiones de exploración de Marte han tenido algunas de las tasas de fracaso más altas para las misiones de la NASA, ^{[ 11 ]} lo que puede atribuirse a los inmensos desafíos de ingeniería de estas misiones, así como a algunos contratiempos, como el Mars Polar Lander de Estados Unidos . ^{[ 12 ]} Dado que muchos de los objetivos del MEP implican la entrada, el descenso y el aterrizaje de naves espaciales (EDL) en la superficie de Marte, entran en juego factores como la atmósfera del planeta, el terreno irregular de la superficie y el alto costo de replicar entornos similares a los de Marte para las pruebas. ^{[ 13 ]}

En comparación con la Tierra, la atmósfera de Marte es aproximadamente 100 veces más tenue. Como resultado, si una nave de aterrizaje descendiera a la atmósfera marciana, desaceleraría a una altitud mucho menor y, dependiendo de la masa del objeto, podría no tener tiempo suficiente para alcanzar la velocidad terminal. Para desplegar desaceleradores supersónicos o subsónicos, la velocidad debe estar por debajo de un umbral o no serán efectivos. Por lo tanto, se deben desarrollar tecnologías para que una nave de aterrizaje pueda desacelerarse lo suficiente como para permitir tiempo adecuado para llevar a cabo otros procesos de aterrizaje necesarios antes del aterrizaje. ^{[ 13 ]} La atmósfera de Marte varía significativamente a lo largo de un año marciano , lo que impide que los ingenieros puedan desarrollar un sistema para EDL común para todas las misiones. Las frecuentes tormentas de polvo aumentan la temperatura atmosférica inferior y disminuyen la densidad atmosférica, lo que, junto con las elevaciones extremadamente variables en la superficie de Marte, obliga a una selección conservadora de un sitio de aterrizaje para permitir una desaceleración suficiente de la nave. ^{[ 13 ]} Dado que las secuencias EDL en Marte duran solo entre 5 y 8 minutos, los sistemas asociados deben ser incuestionablemente fiables. Idealmente, esto se verificaría mediante datos obtenidos al realizar pruebas a gran escala de diversos componentes de los sistemas EDL en entornos terrestres. Sin embargo, los costos de reproducir entornos en los que estos datos serían relevantes para el entorno marciano son considerablemente altos, lo que lleva a que las pruebas se realicen exclusivamente en tierra o simulen los resultados de pruebas que involucran tecnologías derivadas de misiones anteriores. ^{[ 13 ]}

La superficie de Marte es extremadamente irregular, con rocas , terreno montañoso y cráteres. Para una nave de aterrizaje, la zona ideal sería plana y libre de escombros. Dado que este terreno es casi imposible de encontrar en Marte, el tren de aterrizaje debe ser muy estable y tener suficiente altura libre al suelo para evitar problemas de vuelco e inestabilidad al aterrizar. Además, los sistemas de desaceleración de estos módulos de aterrizaje deberían incluir propulsores apuntando al suelo. Estos propulsores deben diseñarse para que solo necesiten estar activos durante un tiempo extremadamente corto; si están activos y apuntando a terreno rocoso durante más de unos pocos milisegundos, comienzan a excavar surcos, lanzan pequeñas rocas contra el tren de aterrizaje y provocan una contrapresión desestabilizadora sobre el módulo de aterrizaje. ^{[ 13 ]}

Encontrar un lugar de aterrizaje adecuado implica poder estimar el tamaño de las rocas desde la órbita. La tecnología para determinar con precisión el tamaño de rocas de menos de 0,5 metros de diámetro desde la órbita aún no se ha desarrollado, por lo que la distribución del tamaño de las rocas se infiere a partir de su relación con la inercia térmica, basándose en la respuesta térmica del lugar de aterrizaje medida por satélites que actualmente orbitan Marte. El Orbitador de Reconocimiento de Marte también contribuye a esta causa, ya que sus cámaras pueden detectar rocas de más de 0,5 m de diámetro. ^{[ 13 ]} Además de la posibilidad de que el módulo de aterrizaje vuelque en superficies inclinadas, las grandes características topográficas como colinas, mesetas, cráteres y trincheras plantean el problema de la interferencia con los sensores terrestres. El radar y el radar Doppler pueden medir erróneamente la altitud durante el descenso, y los algoritmos que apuntan al punto de aterrizaje del módulo de aterrizaje pueden ser "engañados" para liberar el módulo demasiado pronto o demasiado tarde si la nave pasa sobre mesetas o trincheras durante el descenso. ^{[ 13 ]}

Si bien fue observado en la antigüedad por babilonios , egipcios , griegos y otros, no fue hasta la invención del telescopio en el siglo XVII que Marte fue estudiado en profundidad. ^{[ 14 ]} El primer intento de enviar una sonda a la superficie de Marte, apodada "Marsnik 1", fue realizado por la URSS en 1960. La sonda no logró alcanzar la órbita terrestre y la misión finalmente fracasó. El fracaso en el cumplimiento de los objetivos de la misión ha sido común en las misiones diseñadas para explorar Marte; aproximadamente dos tercios de todas las naves espaciales destinadas a Marte han fallado antes de que pudiera comenzar cualquier observación. ^{[ 11 ]} El Programa de Exploración de Marte se formó oficialmente tras el fracaso del Mars Observer en septiembre de 1992, ^{[ 1 ]} que había sido la primera misión de la NASA a Marte desde los proyectos Viking 1 y Viking 2 en 1975. La nave espacial, que se basaba en un satélite de comunicaciones comercial modificado en órbita terrestre (es decir, el satélite Astra 1A de SES ), transportaba una carga útil de instrumentos diseñados para estudiar la geología, la geofísica y el clima de Marte desde la órbita. La misión terminó en agosto de 1993 cuando se perdieron las comunicaciones tres días antes de que la nave espacial entrara en órbita . ^{[ 15 ]}

En la década de 2000, la NASA estableció el Programa Mars Scout como una campaña dentro del Programa de Exploración de Marte para enviar una serie de misiones robóticas pequeñas y de bajo costo a Marte , seleccionadas competitivamente entre propuestas innovadoras de la comunidad científica con un límite presupuestario de US$485 millones. La primera nave espacial robótica de este programa fue Phoenix , que utilizó un módulo de aterrizaje fabricado originalmente para la misión cancelada Mars Surveyor 2001. Phoenix fue uno de los cuatro finalistas seleccionados de entre 25 propuestas. ^{[ 16 ]} Los cuatro finalistas fueron Phoenix, MARVEL, SCIM ( Recolección de Muestras para la Investigación de Marte ) y el avión marciano ARES ("Estudio Ambiental Regional Aéreo"). ^{[ 16 ]} SCIM era una misión de retorno de muestras que habría utilizado una trayectoria de retorno libre y aerogel para capturar polvo marciano y devolverlo a la Tierra ^{[ 16 ]} (véase también: la misión Stardust ). MARVEL era un orbitador que habría buscado vulcanismo y analizado varios componentes de la atmósfera marciana. ^{[ 16 ]} El nombre es un acrónimo de Mars Volcanic Emission and Life Scout , y estaba destinado a detectar gases de vida si la hubiera. ^{[ 16 ]} ARES era un concepto de aeronave para Marte para estudiar la atmósfera inferior y la superficie. ^{[ 16 ]} El 15 de septiembre de 2008, la NASA anunció que había seleccionado MAVEN para la segunda misión. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Esta misión tenía un presupuesto de no más de US$475 millones. ^{[ 20 ]} Después de solo dos selecciones, la Dirección de Ciencias de la NASA anunció en 2010 que Mars Scout se incorporaría al programa Discovery , que fue redefinido para permitir que se propusieran misiones a Marte. ^{[ 21 ]} InSight , una misión de sismología y geología de Marte, fue finalmente elegida como la duodécima misión del programa Discovery.

Un recorte presupuestario significativo de US$300 millones a la división de ciencias planetarias de la NASA ocurrió en el año fiscal 2013, lo que provocó la cancelación de la participación de la agencia en el programa ExoMars de la ESA , así como una reevaluación del Programa de Exploración de Marte en su conjunto. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} En febrero de 2012, el Grupo de Planificación del Programa de Marte (MPPG) fue convocado en Washington, DC para discutir conceptos de misiones candidatas para la ventana de lanzamiento de 2018 o 2020, ^{[ 34 ] [ 33 ]} en una iniciativa conocida como Mars Next Generation. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} El propósito del MPPG fue desarrollar fundamentos para una arquitectura a nivel de programa para la exploración robótica de Marte que sea consistente con el desafío de la administración Obama de enviar humanos a la órbita de Marte en la década de 2030 , ^{[ 33 ]} pero que siga respondiendo a los objetivos científicos primarios de la Encuesta Decenal de 2011 del NRC para la Ciencia Planetaria. ^{[ 37 ]} El MPPG utilizó aportes individuales no consensuales tanto de funcionarios públicos de la NASA como de empleados contratistas, y las decisiones resultantes fueron responsabilidad exclusiva de la NASA.

El enfoque inmediato del MPPG fue la recopilación de múltiples opciones de concepto de misión para la ventana de lanzamiento a Marte de 2018 y 2020. ^{[ 33 ]} Con un presupuesto de 700 millones de dólares estadounidenses , incluido un vehículo de lanzamiento , se supuso que la misión se limitaría a un orbitador . ^{[ 35 ] [ 38 ]} Se tomaron en consideración ideas a corto plazo para la planificación temprana de la misión en el período 2018-2024, mientras que las ideas a mediano y largo plazo informaron la planificación de la arquitectura a nivel de programa para 2026 y más allá. ^{[ 39 ]} Las estrategias exploradas para dicha misión incluyeron una misión de retorno de muestras donde se colocan muestras de suelo en órbita de Marte a finales de la década de 2020 o principios de la década de 2030, un análisis de suelo in situ y un estudio de la superficie de Marte y el interior profundo previo a una misión de retorno de muestras y/o una misión tripulada. ^{[ 33 ]} Las misiones conceptuales que se estudiaron y que se ajustaban al requisito presupuestario de US$700 millones a US$800 millones incluían el Next Mars Orbiter (NeMO) para reemplazar los servicios de telecomunicaciones de los satélites obsoletos, y un módulo de aterrizaje estacionario para investigar y seleccionar muestras adecuadas para un posterior regreso a la Tierra. ^{[ 33 ]} Antes de las conclusiones del MPPG, el subcomité de Comercio, Justicia y Ciencia del Comité de Asignaciones de la Cámara de Representantes aprobó un presupuesto en abril de 2012 que restableció US$150 millones al presupuesto de Ciencias Planetarias, con la condición de que se exigiera una misión de retorno de muestras. ^{[ 31 ]} El informe final del MPPG se redactó en agosto de 2012 y se publicó en septiembre. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} En última instancia, al respaldar una misión de retorno de muestras, la recomendación influyó en el proceso presupuestario de la NASA para el año fiscal 2014. ^{[ 43 ]}

Las ventanas de lanzamiento para una expedición a Marte ocurren aproximadamente cada dos años y dos meses (específicamente 780 días, que es el período sinódico de Marte con respecto a la Tierra). ^{[ 44 ]}