La próxima gran misión de la NASA: las sondas para estudiar Urano y Neptuno
por Daniel Marín

El Congreso de los EE UU ordenó hace dos años a la NASA que comenzara a preparar una misión a Urano y Neptuno a partir de 2030. Los dos gigantes de hielo y sus respectivos sistemas de lunas son los grandes desconocidos del sistema solar y solo han sido visitados una vez por artefactos humanos en 1986 y 1989 respectivamente (en ambos casos por la Voyager 2). Tras dos años de estudios la NASA ha publicado recientemente el informe final sobre las características óptimas que debe reunir una misión de tipo Flagship para explorar Urano y Neptuno. 

Las cuatro opciones principales para el estudio de Urano y Neptuno. De izqda. a dcha.: orbitador de Neptuno con sonda atmosférica y etapa SEP, sonda de sobrevuelo de Urano con sonda atmosférica, orbitador de Urano con sonda atmosférica y orbitador de Urano sin sonda atmosférica (NASA).

Los resultados no difieren mucho de los informes provisionales que ya hemos comentado por este blog (aquí y aquí, por ejemplo), pero ahora hay disponibles muchos más detalles. Recordemos que el informe es meramente orientativo y, por lo tanto, la NASA todavía no ha elegido ninguna arquitectura específica. Eso es una decisión política y por el momento la agencia espacial se limita a presentar las cuatro mejores opciones de misión en función del coste y su retorno científico. Por supuesto, el informe es realista y ha sido elaborado teniendo en cuenta las limitaciones existentes en cuanto a presupuesto y tecnologías disponibles. 

Modelo —muy— genérico del interior de los planetas gigantes (NASA).

El gran dilema de esta misión es sin duda cuál de los dos planetas hay que estudiar. Ambos mundos son fascinantes, al igual que sus satélites. Neptuno tiene mayor actividad interna que Urano y nadie sabe por qué, pero sería interesante averiguar la causa de que Urano y sus lunas tengan la elevada inclinación del eje de rotación que presentan actualmente (recordemos que Urano gira ‘tumbado’). Por otro lado el mayor satélite de Neptuno, Tritón, es un mundo apasionante por méritos propios. Tritón es un primo de Plutón, un objeto del cinturón de Kuiper capturado que podría arrojar luz sobre la turbulenta formación del sistema solar. Y sin embargo el conjunto de lunas de Urano es el peor conocido de todos. Los sistemas de anillos de los dos mundos, estrechos, oscuros y densos, son parecidos entre sí y radicalmente diferentes de los de Saturno. ¿Por qué? No estamos seguros. En definitiva, tanto Urano como Neptuno son iguales desde el punto de vista del interés científico que suscitan.

Características de los satélites de Urano y Neptuno en función de su composición y su energía interna (NASA).

Pero hay un hecho objetivo, que no es otro que la mecánica orbital. Urano está más cerca del Sol y esto implica que siempre será más sencillo y rápido alcanzar este planeta que Neptuno. Esto explica que de las cuatro sondas que propone el informe, tres sean para el estudio de Urano. En concreto, las cuatro opciones finalmente elegidas son:

• Sonda de sobrevuelo de Urano con una carga de 50 kg de instrumentos científicos y una sonda atmosférica. Ventajas: es la opción más barata, puesto que saldría por unos 1500 millones de dólares. Desventajas: el retorno científico sería mínimo.

Sonda de sobrevuelo de Urano (NASA).

• Orbitador de Urano con 50 kg de instrumentos científicos y con sonda atmosférica. Ventajas: segunda opción más barata (entre 1700 y 2000 millones) y alto retorno científico.

Orbitador de Urano con sonda atmosférica (NASA).

• Orbitador de Urano con 150 kg de instrumentos científicos sin sonda atmosférica. Ventajas: gran retorno científico gracias a su elevada carga de instrumentos. Desventajas: cuesta casi lo mismo que una sonda a Neptuno (entre 2000 y 2300 millones) y no aportaría información directa sobre la atmósfera de Urano al carecer de sonda. Además usaría cinco RTGs en vez de cuatro como el resto de propuestas.

Orbitador de Urano sin sonda atmosférica (NASA).

Detalle del orbitador de Urano sin sonda (NASA).

• Orbitador de Neptuno con 50 kg de instrumentos y una sonda atmosférica. Ventajas: es la única opción viable —económicamente— para estudiar Neptuno. Desventajas: es la sonda más cara y, sobre todo, compleja, ya que requeriría de una etapa adicional de propulsión iónica (SEP).

Orbitador de Neptuno con la etapa SEP (NASA).

Orbitador de Neptuno (NASA).

Como vemos las cuatro propuestas han sido concebidas para que su precio se mantenga entre los 1500 y 2500 millones de dólares, aproximadamente la mitad que la sonda Cassini, un objetivo de coste realista destinado a evitar su cancelación —los sobrecostes son inevitables— y también con el fin de mantener la puerta abierta para una posible, aunque poco probable, misión doble. Es decir, en el hipotético caso de que haya dinero suficiente, se podría mandar dos sondas, una a Urano y otra a Neptuno (también está la oportunidad de contar con la colaboración de la ESA u otras agencias espaciales). Las propuestas usan generadores de radioisótopos de tipo eMMRTG —además de calefactores RHU—, con la excepción del orbitador a Urano sin sonda atmosférica, que emplearía cinco generadores para poder alimentar los instrumentos adicionales. Es de suponer que para 2030 la NASA tenga plutonio 238 suficiente ahora que se ha reanudado su producción.

Resumen de las cuatro opciones de sondas elegidas por la NASA (NASA).

Del mismo modo, con el fin de limitar el precio las tres misiones más baratas serían lanzadas mediante vectores de tamaño medio, tipo Atlas V 551 o equivalente, como el futuro Vulcan (por el momento el Atlas V es el único vector que permite lanzamientos de sondas con RTGs). La única excepción sería el orbitador a Neptuno, que requeriría un cohete tipo Delta IV Heavy. En caso de un lanzamiento doble se emplearía el SLS de la NASA, aunque esta opción se considera poco viable debido a su alto coste. El tiempo de vuelo de las cuatro propuestas se ha mantenido entre diez y trece años, también para reducir costes, de ahí que la sonda a Neptuno use una etapa de propulsión SEP para acelerar su viaje. Esta etapa se alimentaría mediante paneles solares y se desecharía una vez la nave estuviese entre la órbita de Júpiter y la de Saturno (a unos 900 millones de kilómetros del Sol). Usaría cuatro motores iónicos de tipo NEXT con una tonelada de xenón aproximadamente.

Trayectoria ejemplo del orbitador a Urano, de tipo VEEJGA (asistencias gravitatorias con la Tierra, Venus y Júpiter).

La trayectoria usada por las propuestas incluiría asistencias gravitatorias de la Tierra, Venus y Júpiter principalmente, aunque se han estudiado ventanas de lanzamiento que permiten sobrevolar Saturno o Marte. La mayoría de opciones despegaría en 2031 y llegaría a Urano en 2043 o a Neptuno en 2044. Una vez en órbita de Urano o Neptuno la misión primaria duraría entre dos y tres años. El diseño elegido para las sondas es bastante conservador y deja a un lado el empleo de tecnologías alternativas como la aerocaptura o sistemas de propulsión exóticos para evitar que se dispare el presupuesto y el tiempo de desarrollo.

El ‘paquete estándar’ de 50 kg de carga científica incluye solo tres instrumentos: una cámara de alta resolución, una cámara Doppler y un magnetómetro, mientras que la opción de 150 kg, que solo está disponible para el orbitador a Urano sin sonda atmosférica, incluiría hasta quince instrumentos (como comparación Cassini lleva 270 kg de instrumentos). Por supuesto, se trata de fijar los dos extremos posibles de todo un rango de posibilidades intermedias (por ejemplo, el informe insinúa que 90 kg de instrumentos sería un buen compromiso). Todas las opciones menos una llevan una cápsula atmosférica. Y no por casualidad, ya que se trata de una prioridad para la comunidad científica. No en vano tenemos una idea muy vaga de cómo es el perfil atmosférico de los gigantes de hielo y solo medidas in situ nos permitirán averiguar la proporción exacta de determinados isótopos que resultan claves para entender la formación y posterior evolución de estos planetas, así como, de forma indirecta, la estructura interior de los mismos, que, a pesar de los esquemas que hayas podido ver, es totalmente desconocida. Por ahora el único elemento del que poseemos datos fiables sobre su abundancia es el carbono.

Detalle de la sonda atmosférica (NASA).

Dimensions de la sonda atmosférica (NASA).

Lo malo es que añadir una sonda atmosférica acarrea el incremento de la complejidad de la misión, especialmente por culpa del escudo térmico. Efectivamente, la tecnología empleada en el escudo térmico de la sonda atmosférica de la misión Galileo que estudió Júpiter se ha perdido —sí, como lo oyen— y habría que diseñar el escudo desde cero dentro del marco del programa HEET (Heatshield for Extreme Entry Environment Technology). Eso sí, la sonda atmosférica llevaría cuatro instrumentos básicos: un espectrómetro de masas, una sensor de temperatura, densidad y presión, un nefelómetro y un sensor para medir la proporción de ortohidrógeno y parahidrógeno. La masa de la sonda atmosférica rondaría los 320 kg y tendría un diámetro de 1,2 metros.

Partes de la sonda atmosférica (NASA).

Otra vista de la sonda atmosférica (NASA).

Posible trayectoria de entrada de la sonda atmosférica en Urano antes de la inserción orbital (NASA).

Ejemplo de las fases en el descenso de la sonda atmosférica (NASA).

Con estas propuestas sobre la mesa queda claro que la mejor opción es uno de los dos orbitadores a Urano, bien con sonda atmosférica o sin ella. Mucho tienen que cambiar las cosas para que el orbitador a Neptuno sea aprobado. Igualmente, la sonda de sobrevuelo de Urano, la más barata de las cuatro, presenta un retorno científico mínimo comparado con su coste (solo entre 200 y 500 millones de dólares menos que la siguiente opción, mucho más interesante desde cualquier punto de vista), así que también podemos descartarla. Evidentemente lo ideal sería una misión doble, pero a no ser que se sume alguna otra agencia espacial al proyecto —¿ESA?— este es un escenario poco menos que imposible dado el presupuesto actual de la NASA.

La mayoría de los más de tres mil exoplanetas descubiertos hasta la fecha son mundos similares a Urano y Neptuno. Estudiar estos planetas no solo nos permitirá comprender mejor la formación del sistema solar, sino también la de miles de sistemas planetarios en la Vía Láctea. No cabe duda de que Urano y Neptuno deben ser explorados en detalle. Lástima que tengamos que esperar casi tres décadas para, con suerte, desvelar sus misterios. 



Fuente:  danielmarin.naukas.com