misión de retorno de muestras de Marte

El regreso de Marte apareció en la literatura técnica cuando el programa Apolo todavía estaba en desarrollo y la primera nave espacial que sobrevoló Marte aún no se había lanzado, con la expectativa de que habría personas a bordo para el ascenso a Marte. ^{[ 10 ]} La densidad de la atmósfera de Marte seguía siendo desconocida en ese momento, por lo que el autor de ingeniería de Lockheed informó el análisis de opciones de trayectoria en un rango de condiciones de arrastre aerodinámico para que un vehículo de lanzamiento de 15 toneladas alcanzara una órbita de encuentro.

En la NASA, el Centro de Investigación Langley y el Laboratorio de Propulsión a Chorro estudiaron conjuntamente el regreso de muestras de Marte a principios de la década de 1970, durante el desarrollo de la misión Viking Mars Lander , y un autor de Langley señaló que el "vehículo de lanzamiento de la superficie de Marte a la órbita" necesitaría un alto rendimiento porque su masa "tendría un impacto sustancial en los requisitos de masa y sistemas" para las fases anteriores de la misión, la entrega de ese vehículo a Marte y los preparativos del lanzamiento en Marte. ^{[ 11 ]}

Durante al menos tres décadas, los científicos han abogado por el retorno de muestras geológicas de Marte. ^{[ 12 ]} Un concepto inicial fue la propuesta de Recolección de Muestras para la Investigación de Marte (SCIM), que consistía en enviar una nave espacial en un paso rasante a través de la atmósfera superior de Marte para recolectar muestras de polvo y aire sin aterrizar ni orbitar. ^{[ 13 ]}

La Unión Soviética consideró una misión de retorno de muestras de Marte, Mars 5NM , en 1975, pero fue cancelada debido a los repetidos fallos del cohete N1 que la habría lanzado. Otra misión de retorno de muestras, Mars 5M (Mars-79), planeada para 1979, fue cancelada debido a su complejidad y problemas técnicos. ^{[ 14 ]}

A mediados de la década de 1980, los planificadores de la misión del JPL señalaron que el MSR había sido "retrasado por presiones presupuestarias y de otro tipo hasta la década de 1990", y que el viaje de ida y vuelta "impondría grandes requisitos de propulsión". ^{[ 15 ]} Presentaron un presupuesto de masa teórico para un concepto que lanzaría una carga útil de 9,5 toneladas métricas desde la Tierra, incluyendo un orbitador de Marte para el regreso a la Tierra, y un módulo de aterrizaje con un rover de 400 kg y un "vehículo de retorno a Marte" que pesaría más de 2 toneladas métricas. Un contenedor de muestras de 20 kg llegaría a la Tierra conteniendo 5  kg de muestras, incluyendo núcleos de calidad científica perforados de cada tipo de terreno marciano.

A finales de la década de 1980, varios centros de la NASA contribuyeron a una propuesta de misión de retorno de muestras de un rover marciano (MRSR). ^{[ 16 ] [ 17 ]} Como describieron los autores del JPL, una opción para la MRSR se basaba en un único lanzamiento de un paquete de 12 toneladas que incluía un orbitador marciano y un vehículo de retorno a la Tierra, un rover de 700 kg y un vehículo de ascenso marciano (MAV) de 2,7 toneladas que utilizaría propulsión líquida alimentada por bomba para un ahorro de masa significativo. ^{[ 18 ]} Un paquete de muestras de 20 kg en el MAV debía contener 5  kg de suelo marciano. Un autor del Centro Espacial Johnson se refirió posteriormente a un lanzamiento desde la Tierra en 1998 con una masa del MAV en el rango de 1400 a 1500  kg que incluía una primera etapa alimentada por bomba y una segunda etapa alimentada por presión. ^{[ 19 ]}

El Programa de Exploración de Marte de Estados Unidos , formado tras el fracaso de Mars Observer en septiembre de 1993, apoyaba el regreso de muestras de Marte. ^{[ 20 ]} Glenn J. MacPherson propuso una arquitectura a principios de la década de 2000. ^{[ 2 ]}

En 1996, se planteó la posibilidad de vida en Marte cuando se creyó haber encontrado microfósiles en el meteorito marciano ALH84001 . Esta hipótesis fue finalmente rechazada, pero generó un renovado interés en traer muestras de Marte. ^{[ 21 ]}

A mediados de la década de 1990, la NASA financió a JPL y Lockheed Martin para estudiar arquitecturas de misiones MSR a pequeña escala asequibles, incluyendo un concepto para traer de vuelta 500 gramos de muestras de Marte usando un MAV de 100 kg que se encontraría con un pequeño orbitador de Marte para el encuentro y el regreso a la Tierra. ^{[ 22 ]} Robert Zubrin , un defensor de larga data de las misiones tripuladas a Marte, concluyó en 1996 que el mejor enfoque para MSR sería lanzar directamente a la Tierra usando propelentes hechos en Marte, porque un encuentro en órbita de Marte sería demasiado arriesgado y estimó que un MAV de retorno directo tendría una masa de 500  kg, demasiado pesado para enviar a Marte de manera asequible si se cargara completamente de combustible en la Tierra. ^{[ 23 ]} Los revisores internacionales por pares estuvieron de acuerdo. ^{[ 24 ]} En 1997, un análisis detallado de la tecnología convencional de cohetes a pequeña escala (tanto de propulsor sólido como líquido) concluyó que los componentes de propulsión conocidos serían demasiado pesados ​​para construir un MAV tan ligero como varios cientos de kilogramos y se sugirió "La aplicación de los principios de diseño de vehículos de lanzamiento al desarrollo de nuevo hardware a pequeña escala". ^{[ 25 ]}

En 1998, el JPL presentó un diseño para un MAV bipropelente líquido de dos etapas alimentado a presión que pesaría 600 kilogramos o menos en el momento del despegue hacia Marte, destinado a una misión MSR en 2005. ^{[ 26 ]} El mismo autor del JPL colaboró ​​en un MAV conceptual de una sola etapa de 200 kg, diseñado para ser pequeño mediante el uso de propulsión alimentada por bomba para permitir tanques ligeros de propelente líquido de baja presión y cámaras de empuje compactas de alta presión. ^{[ 27 ]} Esta ventaja de masa de la operación alimentada por bomba se aplicó a un MAV conceptual de 100 kg con un presupuesto de masa consistente con alcanzar la órbita de Marte usando monopropelente, en parte posible gracias a la simplicidad de un solo tanque, también aplicable al aterrizaje en Marte que normalmente se realiza con monopropelente. ^{[ 28 ]} Los propulsores de alta presión y la bomba se habían demostrado previamente en el vuelo de 1994 de un cohete experimental de 21 kg. ^{[ 29 ]}

A finales de 1999, se preveía que la misión MSR se lanzaría desde la Tierra en 2003 y 2005. ^{[ 30 ]} Cada una debía entregar un rover y un vehículo de ascenso a Marte, y en 2005 se incluiría un orbitador marciano de suministro francés con capacidad de retorno a la Tierra. El MAV de 140 kg, "en proceso de ser contratado a la industria" en ese momento, debía incluir telemetría en su primera etapa y propulsores que harían girar el vehículo a 300 RPM antes de la separación de la etapa superior simplificada y ligera. En la parte superior de cada MAV, una carga útil esférica de 3,6 kg y 16 cm de diámetro contendría 500 gramos de muestras y tendría células solares para alimentar una baliza de larga duración que facilitaría el encuentro con el orbitador de retorno a la Tierra. El orbitador capturaría los contenedores de muestras entregados por ambos MAV y los colocaría en vehículos de reentrada terrestre separados. Este concepto de misión, considerado por el Programa de Exploración de Marte de la NASA para traer muestras para 2008, ^{[ 31 ]} fue cancelado después de una revisión del programa. ^{[ 32 ]}

A mediados de 2006, el Grupo de Trabajo Internacional sobre Arquitectura de Marte para el Retorno de Muestras (iMARS, por sus siglas en inglés) fue constituido por el Grupo de Trabajo Internacional sobre Exploración de Marte (IMEWG, por sus siglas en inglés) para definir los requisitos científicos y de ingeniería de una misión de retorno de muestras de Marte patrocinada y ejecutada internacionalmente en el período 2018-2023. ^{[ 7 ]}

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 "el regreso de muestras de Marte en la década de 2020". ^{[ 33 ] [ 34 ]} La primera misión de ExoMars estaba planeada para lanzarse en 2018 ^{[ 6 ] [ 35 ]} con misiones no especificadas para regresar muestras en el período 2020-2022. ^{[ 36 ]} La cancelación del rover de almacenamiento MAX-C en 2011, y la posterior retirada de la NASA de ExoMars, debido a limitaciones presupuestarias, puso fin a la misión. ^{[ 37 ]} La retirada fue descrita como "traumática" para la comunidad científica. ^{[ 37 ]}

A principios de 2011, el Estudio Decenal de Ciencias Planetarias del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. , que estableció las prioridades de planificación de misiones para el período 2013-2022, declaró una campaña MSR como su misión insignia de máxima prioridad para ese período. ^{[ 38 ]} En particular, respaldó la propuesta de misión Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) en una versión reducida (menos ambiciosa). Este plan de misión fue cancelado oficialmente en abril de 2011.

Un requisito clave de la misión del rover Perseverance de Mars 2020 fue que ayudara a preparar el MSR. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} El rover aterrizó el 18 de febrero de 2021 en el cráter Jezero para recolectar muestras y almacenarlas en 43 tubos cilíndricos para su posterior recuperación.

La misión Mars 2020 aterrizó el rover Perseverance en el cráter Jezero en febrero de 2021. Ha recolectado múltiples muestras y continuará haciéndolo, empaquetándolas en cilindros para su posterior retorno en la Campaña MSR. Jezero parece ser el lecho de un antiguo lago, adecuado para el muestreo terrestre. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} También se le ha asignado la tarea de devolver las muestras directamente al módulo de retorno de muestras, considerando su posible longevidad de misión.

A partir del 21 de diciembre de 2022, Perseverance inició una campaña para depositar 10 de las muestras recolectadas en el depósito de respaldo (Three Forks), para garantizar que, si Perseverance encuentra problemas, la campaña MSR aún pueda tener éxito.

El plan de la NASA y la ESA ^{[ 55 ]} consiste en traer de vuelta las muestras mediante tres misiones: una misión de recolección de muestras (Perseverance), lanzada en 2020 y actualmente operativa; una misión de recuperación de muestras (Aterrizaje de Recuperación de Muestras + Vehículo de ascenso a Marte + Brazo de transferencia de muestras + 2 helicópteros de la clase Ingenuity ); y una misión de retorno (Orbitador de retorno a la Tierra). ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

Aunque la propuesta de la NASA y la ESA todavía está en la etapa de diseño, la primera etapa de recolección de muestras está siendo ejecutada actualmente por el rover Perseverance en Marte y los componentes del módulo de aterrizaje de recuperación de muestras (segunda etapa) están en fase de prueba en la Tierra. ^{[ 4 ] [ 59 ] [ 60 ]} Las fases posteriores enfrentaban sobrecostos significativos a partir de agosto de 2023. ^{[ 61 ] [ 62 ]} En noviembre de 2023, se informó que la NASA había recortado el programa debido a una posible escasez de fondos. ^{[ 63 ]} A partir de enero de 2024, el plan estaba enfrentando un escrutinio continuo debido a consideraciones de presupuesto y cronograma, y ​​se estaba buscando un nuevo plan de revisión. ^{[ 64 ]} En abril de 2024, la NASA informó que el costo originalmente proyectado de $7 mil millones y el retorno de muestras esperado para 2033 se actualizó a un inaceptable $11 mil millones y el retorno para 2040, lo que impulsó a la agencia a buscar una mejor solución. ^{[ 65 ]}

China ha anunciado planes para una misión de retorno de muestras de Marte llamada Tianwen-3 . ^{[ 66 ]} La misión se lanzaría a finales de 2028, con un módulo de aterrizaje y un vehículo de ascenso en un cohete Larga Marcha 5 y un orbitador y un módulo de retorno lanzados por separado en un cohete Larga Marcha 3B . Las muestras regresarían a la Tierra en julio de 2031. ^{[ 67 ]}

Un plan anterior habría utilizado una nave espacial grande que pudiera llevar a cabo todas las fases de la misión, incluyendo la recolección de muestras, el ascenso, el encuentro orbital y el vuelo de regreso. Esto habría requerido el vehículo de lanzamiento superpesado Larga Marcha 9. ^{[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]} Otro plan implicaba utilizar Tianwen-1 para almacenar las muestras para su posterior recuperación. ^{[ 71 ]}

Francia ha trabajado durante muchos años en la recuperación de muestras. Esto incluyó conceptos como una instalación extraterrestre para la conservación de las muestras recuperadas y numerosas propuestas. 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 otros países. ^{[ 72 ]}

El 9 de junio de 2015, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) presentó un plan llamado Exploración de Lunas de Marte (MMX) para recuperar muestras de Fobos o Deimos . ^{[ 73 ] [ 74 ]} La órbita de Fobos está más cerca de Marte y su superficie podría haber capturado partículas expulsadas de Marte. ^{[ 75 ]} El lanzamiento desde la Tierra está previsto para 2026, con un regreso a la Tierra en 2031. ^{[ 76 ] [ 77 ]} Japón también ha mostrado interés en participar en una misión internacional de retorno de muestras de Marte.

Un concepto de misión rusa de retorno de muestras de Marte es Mars-Grunt . ^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]} Adoptó el diseño de Fobos-Grunt . ^{[ 79 ]} Los planes de 2011 contemplaban una arquitectura de dos etapas con un orbitador y un módulo de aterrizaje (pero sin capacidad de exploración), ^{[ 83 ]} con muestras recolectadas alrededor del módulo de aterrizaje por un brazo robótico. ^{[ 78 ] [ 84 ]}