Protección planetaria

La protección planetaria es un principio rector en el diseño de una misión interplanetaria , cuyo objetivo es prevenir la contaminación biológica tanto del cuerpo celeste de destino como de la Tierra en el caso de misiones de retorno de muestras. La protección planetaria refleja tanto la naturaleza desconocida del entorno espacial como el deseo de la comunidad científica de preservar la naturaleza prístina de los cuerpos celestes hasta que puedan estudiarse en detalle. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Existen dos tipos de contaminación interplanetaria . La contaminación hacia adelante consiste en la transferencia de organismos viables de la Tierra a otro cuerpo celeste. La contaminación hacia atrás consiste en la transferencia de posibles organismos extraterrestres de vuelta a la biosfera terrestre . Esterilizar las misiones humanas es imposible, ya que el microbioma de un solo ser humano alberga típicamente cien billones (10¹⁴ ⁾ de microorganismos de miles de especies, que no pueden eliminarse sin causar la muerte de la persona.

El problema potencial de la contaminación lunar y planetaria se planteó por primera vez en el VII Congreso de la Federación Astronáutica Internacional en Roma en 1956. ^{[ 4 ]}

En 1958 ^{[ 5 ]} la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NAS) aprobó una resolución que declaraba: «La Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América insta a los científicos a planificar los estudios lunares y planetarios con gran cuidado y profunda preocupación para que las operaciones iniciales no comprometan ni hagan imposibles para siempre experimentos científicos críticos posteriores». Esto condujo a la creación del Comité ad hoc sobre Contaminación por Exploración Extraterrestre (CETEX), que se reunió durante un año y recomendó que las naves espaciales interplanetarias fueran esterilizadas , y declaró: «La necesidad de esterilización es solo temporal. Marte y posiblemente Venus deben permanecer sin contaminar solo hasta que sea posible el estudio por naves tripuladas». ^{[ 6 ]}

En 1959, la protección planetaria se transfirió al recién formado Comité de Investigación Espacial (COSPAR). En 1964, COSPAR emitió la Resolución 26 que afirmaba que:

La búsqueda de vida extraterrestre es un objetivo importante de la investigación espacial; el planeta Marte puede ofrecer la única oportunidad factible para llevar a cabo esta búsqueda en el futuro previsible; la contaminación de este planeta dificultaría enormemente dicha búsqueda e incluso podría impedir para siempre un resultado inequívoco; deben adoptarse todas las medidas prácticas para garantizar que Marte no se contamine biológicamente hasta que esta búsqueda se haya llevado a cabo satisfactoriamente; y se requiere la cooperación de todas las autoridades de lanzamiento de sondas al espacio profundo en la correcta planificación de los experimentos y el uso de técnicas adecuadas de esterilización de naves espaciales para evitar dicha contaminación. ^{[ 7 ]}

En 1967, Estados Unidos, la URSS y el Reino Unido ratificaron el Tratado del Espacio Ultraterrestre de las Naciones Unidas . La base jurídica para la protección planetaria reside en el Artículo IX de este tratado:

"Artículo IX: ... Los Estados Partes en el Tratado realizarán estudios del espacio ultraterrestre, incluida la Luna y otros cuerpos celestes, y llevarán a cabo su exploración de manera que se evite su contaminación perjudicial y también los cambios adversos en el medio ambiente de la Tierra resultantes de la introducción de materia extraterrestre y, cuando sea necesario, adoptarán las medidas apropiadas para tal fin... ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Este tratado ha sido firmado y ratificado por 104 Estados-nación. Otros 24 lo han firmado pero no ratificado. Todos los Estados-nación con capacidad espacial actual, junto con todos los Estados-nación que aspiran a tenerla, han firmado y ratificado el tratado. ^{[ 10 ]}

El Tratado del Espacio Ultraterrestre cuenta con un apoyo internacional constante y generalizado, y como resultado de ello, junto con el hecho de que se basa en la declaración de 1963 adoptada por consenso en la Asamblea Nacional de las Naciones Unidas, ha adquirido el estatus de derecho internacional consuetudinario. Por consiguiente, las disposiciones del Tratado del Espacio Ultraterrestre son vinculantes para todos los Estados, incluso para aquellos que no lo han firmado ni ratificado. ^{[ 11 ]}

En cuanto a la contaminación directa, la frase que debe interpretarse es "contaminación dañina". Dos revisiones jurídicas llegaron a interpretaciones diferentes de esta cláusula (ambas revisiones fueron extraoficiales). Sin embargo, la interpretación actualmente aceptada es que "debe evitarse cualquier contaminación que pueda perjudicar los experimentos o programas de un Estado". La política de la NASA establece explícitamente que "no debe ponerse en peligro la realización de investigaciones científicas sobre posibles formas de vida extraterrestres, precursores y restos". ^{[ 12 ]}

El Comité de Investigación Espacial (COSPAR) se reúne cada dos años, en un encuentro de entre 2000 y 3000 científicos, ^{[ 13 ]} y una de sus tareas es elaborar recomendaciones para evitar la contaminación interplanetaria. Su base jurídica es el Artículo IX del Tratado del Espacio Ultraterrestre ^{[ 14 ]} (véase el historial a continuación para más detalles ).

Sus recomendaciones dependen del tipo de misión espacial y del cuerpo celeste explorado. ^{[ 15 ]} COSPAR clasifica las misiones en 5 grupos:

• Categoría I: Cualquier misión a lugares que no sean de interés directo para la evolución química o el origen de la vida , como el Sol o Mercurio . No se requieren medidas de protección planetaria. ^{[ 16 ]}
• Categoría II: Cualquier misión a lugares de gran interés para la evolución química y el origen de la vida, pero con una probabilidad remota de que la contaminación procedente de la nave espacial pueda comprometer las investigaciones. Algunos ejemplos son la Luna , Venus y los cometas . Requiere únicamente documentación sencilla, principalmente para describir los objetivos de impacto previstos o potenciales, y un informe al final de la misión sobre cualquier lugar de impacto involuntario, si este se produjera. ^{[ 16 ]}
• Categoría III: Misiones de sobrevuelo y orbitales a lugares de gran interés para la evolución química o el origen de la vida, y con una probabilidad significativa de que la contaminación pueda comprometer las investigaciones, por ejemplo, Marte , Europa , Encélado . Requiere una documentación más detallada que la Categoría II. Otros requisitos, según la misión, pueden incluir el sesgo de la trayectoria, el montaje en sala limpia, la reducción de la carga biológica y, si existe la posibilidad de impacto, el inventario de materia orgánica. ^{[ 16 ]}
• Categoría IV: Misiones de aterrizaje o sonda a las mismas ubicaciones que la Categoría III. Las medidas a aplicar dependen del cuerpo celeste objetivo y de las operaciones planificadas. «Puede ser necesaria la esterilización de toda la nave espacial para módulos de aterrizaje y vehículos exploradores con experimentos de detección de vida, y para aquellos que aterricen o se desplacen a una región donde puedan sobrevivir y proliferar microorganismos terrestres, o donde pueda existir vida autóctona. Para otros módulos de aterrizaje y vehículos exploradores, los requisitos serían la descontaminación y esterilización parcial del equipo aterrizado». ^{[ 17 ]}

Las misiones a Marte en la categoría IV ^{[ 18 ]} se subclasifican aún más: ^{[ 15 ]}

• Categoría IVa. Módulos de aterrizaje que no buscan vida marciana: utilizan los requisitos de preesterilización del módulo de aterrizaje Viking, un máximo de 300.000 esporas por nave espacial y 300 esporas por metro cuadrado.
• Categoría IVb. Módulos de aterrizaje que buscan vida en Marte. Añade requisitos adicionales estrictos para evitar la contaminación de las muestras.
• Categoría IVc. Cualquier componente que acceda a una región especial marciana (ver más abajo) debe esterilizarse al menos hasta alcanzar los niveles de carga biológica posteriores a la esterilización de Viking, que son de 30 esporas en total por nave espacial.

• Categoría V: Esta se divide a su vez en devolución de muestras sin restricciones y con restricciones.

• Categoría V sin restricciones: muestras procedentes de lugares que, según la opinión científica, carecen de formas de vida autóctonas. Sin requisitos especiales.
• Categoría restringida V: (cuando la opinión científica no es segura) los requisitos incluyen: prohibición absoluta de impacto destructivo al regresar, contención de todo el hardware devuelto que haya estado en contacto directo con el cuerpo objetivo y contención de cualquier muestra no esterilizada devuelta a la Tierra.

Para las misiones de Categoría IV, se permite un cierto nivel de carga biológica . En general, esto se expresa como una "probabilidad de contaminación", que debe ser inferior a una probabilidad entre 10 000 ^{[ 19 ] [ 20 ]} de contaminación hacia adelante por misión, pero en el caso de las misiones a Marte de Categoría IV (arriba), el requisito se ha traducido en un recuento de esporas de Bacillus por área de superficie, como un método de ensayo fácil de usar. ^{[ 16 ] [ 21 ]}

También se requiere documentación más extensa para la Categoría IV. Otros procedimientos necesarios, según la misión, pueden incluir el sesgo de trayectoria, el uso de salas limpias durante el ensamblaje y las pruebas de la nave espacial, la reducción de la carga biológica, la esterilización parcial del hardware que tiene contacto directo con el cuerpo objetivo, un escudo biológico para dicho hardware y, en casos excepcionales, la esterilización completa de toda la nave espacial. ^{[ 16 ]}

Para las misiones restringidas de Categoría V, la recomendación actual ^{[ 22 ]} es que no se devuelvan muestras no contenidas a menos que estén esterilizadas. Dado que la esterilización de las muestras devueltas destruiría gran parte de su valor científico, las propuestas actuales incluyen procedimientos de contención y cuarentena. Para más detalles, véase Contención y cuarentena más adelante. Las misiones de Categoría V también deben cumplir los requisitos de la Categoría IV para proteger el organismo objetivo de la contaminación previa.

Algunos objetivos se pueden clasificar fácilmente. Otros son categorizados provisionalmente por COSPAR, a la espera de futuros descubrimientos e investigaciones.

El taller de COSPAR de 2009 sobre protección planetaria para satélites de planetas exteriores y cuerpos pequeños del sistema solar trató este tema con cierto detalle. La mayoría de estas evaluaciones provienen de ese informe, con algunas mejoras posteriores. Este taller también proporcionó definiciones más precisas para algunas de las categorías: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

El objetivo de la normativa actual es mantener la cantidad de microorganismos lo suficientemente baja como para que la probabilidad de contaminación de Marte (y otros objetivos) sea aceptable. No se trata de lograr que la probabilidad de contaminación sea cero.

El objetivo es mantener la probabilidad de contaminación en 1 entre 10 000 por misión. ^{[ 19 ]} Esta cifra se obtiene normalmente multiplicando el número de microorganismos en la nave espacial, la probabilidad de crecimiento en el cuerpo objetivo y una serie de factores de reducción de la carga biológica.

En detalle, el método utilizado es la ecuación de Coleman-Sagan. ^{[ 30 ]}

${\displaystyle P_{c}=N_{0}RP_{S}P_{t}P_{R}P_{g}}$.

dónde

${\displaystyle N_{0}}$= el número de microorganismos en la nave espacial inicialmente

${\displaystyle R}$= Reducción debida a las condiciones de la nave espacial antes y después del lanzamiento.

${\displaystyle P_{S}}$= Probabilidad de que los microorganismos en la nave espacial alcancen la superficie del planeta.

${\displaystyle P_{t}}$= Probabilidad de que la nave espacial impacte contra el planeta; esta es 1 para un módulo de aterrizaje.

${\displaystyle P_{R}}$= Probabilidad de que un microorganismo se libere en el medio ambiente al tocar tierra, generalmente se establece en 1 para un aterrizaje forzoso.

${\displaystyle P_{g}}$= Probabilidad de crecimiento. Para objetivos con agua líquida, este valor se establece en 1 para efectos del cálculo.

Entonces el requisito es${\displaystyle P_{c}<10^{-4}}$

El${\displaystyle 10^{-4}}$es un número elegido por Sagan et al., de forma algo arbitraria. Sagan y Coleman supusieron que se realizarían unas 60 misiones a la superficie de Marte antes de que se comprendiera completamente la exobiología marciana, 54 de ellas exitosas, y 30 sobrevuelos u orbitadores, y el número se eligió para garantizar una probabilidad de mantener el planeta libre de contaminación de al menos el 99,9 % durante el período de exploración. ^{[ 20 ]}

En el caso de misiones restringidas de Categoría V, la Tierra estaría protegida mediante la cuarentena de la muestra y los astronautas en una instalación de bioseguridad de nivel 4 aún por construir. ^{[ 36 ]} En el caso de un retorno de muestra de Marte, las misiones se diseñarían de manera que ninguna parte de la cápsula que entre en contacto con la superficie marciana quede expuesta al entorno terrestre. Una forma de lograrlo es encerrar el contenedor de la muestra dentro de un contenedor exterior más grande proveniente de la Tierra, en el vacío del espacio. La integridad de los sellos es esencial y el sistema también debe ser monitoreado para verificar la posibilidad de daños por micrometeoritos durante el regreso a la Tierra. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

La recomendación del informe del FSE es que ^{[ 22 ]}

"Ningún material marciano no contenido, incluidas las superficies de las naves espaciales que hayan estado expuestas al entorno marciano, debe ser devuelto a la Tierra a menos que esté esterilizado" . "...Para las muestras no esterilizadas que se devuelvan a la Tierra, se deberá llevar a cabo un programa de detección de vida y pruebas de riesgo biológico, o un proceso de esterilización comprobado, como condición previa absoluta para la distribución controlada de cualquier porción de la muestra".

No se han realizado retornos de muestras de categoría V restringida. Durante el programa Apolo, el retorno de muestras se reguló mediante la Ley de Exposición Extraterrestre . Esta ley fue derogada en 1991, por lo que sería necesario promulgar nuevas regulaciones. Los procedimientos de cuarentena de la era Apolo son de interés por ser el único intento hasta la fecha de traer a la Tierra una muestra que, en aquel momento, se creía que tenía una remota posibilidad de contener vida extraterrestre.

Las muestras y los astronautas fueron puestos en cuarentena en el Laboratorio de Recepción Lunar . ^{[ 41 ]} Los métodos utilizados se considerarían inadecuados para la contención según los estándares modernos. ^{[ 42 ]} Además, el laboratorio de recepción lunar sería considerado un fracaso según sus propios criterios de diseño, ya que el retorno de la muestra no contenía el material lunar, con dos puntos de fallo durante la misión de retorno del Apolo 11: en el amerizaje y en las propias instalaciones.

Sin embargo, el Laboratorio Receptor Lunar se construyó rápidamente, en tan solo dos años desde su inicio hasta su finalización, un período que ahora se considera insuficiente. Las lecciones aprendidas pueden ser útiles para el diseño de cualquier instalación de recepción de muestras de Marte. ^{[ 43 ]}

^{El Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos [ 44 ]} y la Fundación Espacial Europea ^{[ 45 ]} han desarrollado criterios de diseño para una propuesta de instalación de retorno de muestras de Marte y para la misión de retorno. Concluyeron que podría basarse en la contención de riesgo biológico 4, pero con requisitos más estrictos para contener microorganismos desconocidos, posiblemente tan pequeños como los microorganismos terrestres más pequeños conocidos, las ultramicrobacterias , o incluso más pequeños . El estudio de la ESF también recomendó que se diseñara para contener, de ser posible, los agentes de transferencia genética más pequeños , ya que estos podrían transferir ADN de microorganismos marcianos a microorganismos terrestres si comparten un ancestro evolutivo común. Además, debe funcionar como una sala limpia para proteger las muestras de la contaminación terrestre que podría interferir con las sensibles pruebas de detección de vida que se utilizarían en ellas.

Antes de devolver una muestra, se requerirían nuevas leyes de cuarentena. También se requeriría una evaluación ambiental, y sería necesario negociar diversas leyes nacionales e internacionales que no estaban vigentes durante la era Apolo. ^{[ 46 ]}

Para todas las misiones espaciales que requieren descontaminación, el punto de partida es el ensamblaje en salas limpias, en instalaciones que cumplen con el estándar federal estadounidense de clase 100. Estas salas contienen menos de 100 partículas de 0,5 μm o más por pie cúbico. Los ingenieros usan trajes de sala limpia, dejando solo los ojos al descubierto. Los componentes se esterilizan individualmente antes del ensamblaje, en la medida de lo posible, y se limpian las superficies con frecuencia con toallitas de alcohol durante el proceso. Se eligieron las esporas de Bacillus subtilis no solo por su facilidad para generarlas, sino también por su uso consolidado como especie modelo. Es un indicador útil de los efectos de la irradiación UV debido a su alta resistencia a diversas condiciones extremas. Por lo tanto, es una especie indicadora importante de contaminación frontal en el contexto de la protección planetaria. 

Para las misiones de Categoría IVa (módulos de aterrizaje en Marte que no buscan vida marciana), el objetivo es reducir la carga biológica a 300 000 esporas bacterianas en cualquier superficie desde la que las esporas pudieran llegar al entorno marciano. Cualquier componente tolerante al calor se esteriliza térmicamente a 114  °C. Los componentes electrónicos sensibles, como la caja central del rover, incluido el ordenador, se sellan y ventilan mediante filtros de alta eficiencia para mantener cualquier microbio en su interior. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

Para misiones más delicadas, como las de Categoría IVc (a regiones especiales de Marte ), se requiere un nivel de esterilización mucho mayor. Estos niveles deben ser similares a los implementados en las sondas Viking, que fueron esterilizadas para una superficie que, en aquel entonces, se consideraba potencialmente habitable, similar a las regiones especiales de Marte en la actualidad.

En microbiología, suele ser imposible demostrar que no quedan microorganismos viables, ya que muchos no se han estudiado o no se pueden cultivar. Por ello, la esterilización se realiza mediante reducciones de diez veces en la cantidad de microorganismos presentes. Tras un número suficiente de reducciones de diez veces, la probabilidad de que queden microorganismos será extremadamente baja.

Los dos módulos de aterrizaje Viking para Marte fueron esterilizados mediante esterilización por calor seco. Tras una limpieza preliminar para reducir la carga biológica a niveles similares a los de las naves espaciales de Categoría IVa actuales, las naves Viking fueron sometidas a un tratamiento térmico durante 30 horas a 112  °C, con una temperatura nominal de 125  °C (se consideró que cinco horas a 112  °C eran suficientes para reducir la población diez veces, incluso en las partes cerradas de la nave, por lo que esto fue suficiente para una reducción de un millón de veces de la población originalmente baja). ^{[ 50 ]}

Sin embargo, los materiales modernos a menudo no están diseñados para soportar tales temperaturas, especialmente porque las naves espaciales modernas suelen usar componentes comerciales estándar. Entre los problemas que se presentan se incluyen características a nanoescala de solo unos pocos átomos de espesor, encapsulados de plástico y métodos de fijación con epoxi conductor. Además, muchos sensores de instrumentos no pueden exponerse a altas temperaturas, y estas pueden interferir con la alineación crítica de los instrumentos. ^{[ 50 ]}

Como resultado, se necesitan nuevos métodos para esterilizar una nave espacial moderna a categorías superiores, como la Categoría IVc para Marte, similar a Viking. ^{[ 50 ]} Los métodos en evaluación, o ya aprobados, incluyen:

• Peróxido de hidrógeno en fase gaseosa : eficaz, pero puede afectar a acabados, lubricantes y materiales que utilizan anillos aromáticos y enlaces de azufre. Esto se ha establecido, revisado y el Oficial de Protección Planetaria ha aprobado una especificación de la NASA/ESA para el uso de peróxido de hidrógeno en fase gaseosa, pero aún no se ha publicado formalmente. ^{[ 51 ]}
• Óxido de etileno : se utiliza ampliamente en la industria médica y puede emplearse para materiales incompatibles con el peróxido de hidrógeno. Se está considerando su uso en misiones como ExoMars .
• Se ha sugerido el uso de radiación gamma y haces de electrones como método de esterilización, dado su amplio uso en la industria médica. Sin embargo, es necesario comprobar su compatibilidad con los materiales y la geometría de los componentes de las naves espaciales, y aún no están listos para su revisión.

Existen otros métodos de interés, ya que permiten esterilizar la nave espacial tras su llegada al planeta.

• La nieve de dióxido de carbono supercrítico (Marte) es más eficaz contra trazas de compuestos orgánicos que contra microorganismos completos. Sin embargo, tiene la ventaja de eliminar las trazas orgánicas; mientras que otros métodos matan los microorganismos, dejan trazas orgánicas que pueden confundir los instrumentos de detección de vida. Está siendo estudiada por el JPL y la ESA.
• Esterilización pasiva mediante radiación UV (Marte). ^{[ 52 ]} Altamente eficaz contra muchos microorganismos, pero no contra todos, ya que una cepa de Bacillus encontrada en las instalaciones de ensamblaje de naves espaciales es particularmente resistente a la radiación UV. También se ve dificultada por la posible sombra proyectada por el polvo y el hardware de la nave espacial.
• Esterilización pasiva mediante flujos de partículas (Europa). Los planes para misiones a Europa se atribuyen a este método las reducciones de emisiones.

Esto se aplica especialmente a las misiones orbitales, de categoría III, ya que su esterilización es menos rigurosa que la de las misiones a la superficie. También es relevante para los módulos de aterrizaje, puesto que un impacto aumenta las posibilidades de contaminación frontal, y dicho impacto podría producirse en un objetivo no previsto, como una región especial de Marte.

El requisito para una misión orbital es que debe permanecer en órbita durante al menos 20 años después de su llegada a Marte con una probabilidad de al menos el 99 % y durante 50 años con una probabilidad de al menos el 95 %. Este requisito puede omitirse si la misión se esteriliza según el estándar de esterilización Viking. ^{[ 62 ]}

En la era Viking (década de 1970), el requisito se dio como una sola cifra: que cualquier misión orbital debía tener una probabilidad de impacto inferior al 0,003 % durante la fase exploratoria actual de exploración de Marte. ^{[ 63 ]}

Tanto para los módulos de aterrizaje como para los orbitadores, se utiliza la técnica de desviación de trayectoria durante la aproximación al objetivo. La trayectoria de la nave espacial se diseña de tal manera que, si se pierden las comunicaciones, no alcanzará el objetivo.

• Astrobiología : ciencia que se ocupa de la vida en el universo. 
• ExoMars – Programa de Astrobiología 
• Lista de microorganismos analizados en el espacio exterior.
• Marte 2020 – Astrobiología: Misión del rover de Marte de la NASA 
• Panspermia : hipótesis sobre la propagación interestelar de la vida primordial. 

• ¡Nada de insectos, por favor! ¡Este es un planeta limpio! ( Artículo de la ESA )
• Kminek, G.; Conley, C.; Hipkin, V.; Yano, H. (diciembre de 2017). Política de protección planetaria de COSPAR (PDF) (Reporte).( Artículo de COSPAR )
• Sitio web de protección planetaria de la NASA
• El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) desarrolla una prueba de alta velocidad para mejorar la descontaminación de patógenos en sus instalaciones .
• Geoética en la exploración planetaria y espacial
• Catharine Conley: Política, metodología y aplicaciones de la NASA y la protección planetaria internacional , The Space Show, octubre de 2012