¿Puede la iniciativa privada enviar una sonda a Encélado?

por Daniel Marín

Encélado, el satélite de Saturno, es uno de los mundos más interesantes del sistema solar. De hecho, si tenemos en cuenta la relación entre su potencial para albergar vida y la facilidad de estudiarlo quizás sea el más interesante en estos momentos. Lamentablemente, desde que la sonda Cassini desapareció hace dos meses no disponemos de ninguna nave en órbita de Saturno que pueda arrojar nuevos datos sobre esta pequeña luna. En 2019 la NASA debe decidir si manda o no una nueva sonda a Encélado y Titán, pero no está nada claro que esta misión sea la elegida de entre todas las propuestas. Por lo tanto, quizás no veamos una nueva sonda a Encélado durante nuestras vidas. ¿O no? Pues esta perspectiva tan pesimista podría cambiar si el archimillonario de origen ruso Yuri Milner se sale con la suya. Y es que la fundación de Milner, Breakthrough Prize, está estudiando llevar a cabo una misión a Encélado con capital privado. ¿Pero es posible?

La sonda JET atraviesa los géiseres del polo sur de Encélado para estudiar su composición (NASA).

Breakthrough Prize saltó a la fama el año pasado gracias al proyecto Starshot para mandar un enjambre de nanovelas láser al sistema de Alfa Centauri, aunque el descubrimiento de Proxima b pocos meses después hizo que cambiase el objetivo por la estrella más cercana a la Tierra. Ahora Milner quiere centrarse en un objetivo que, comparado con un viaje interestelar a Proxima Centauri, es mucho más sencillo de hacer realidad. ¿Pero a qué precio?

Modelo de Encélado con su océano interno y las fuentes hidrotermales (NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/LPG-CNRS/U. Nantes/U. Angers/ESA).

La futura misión de tipo New Frontiers que la NASA debe aprobar en 2019 de cara a un lanzamiento en 2024 saldrá por unos mil millones de dólares, pero Milner plantea la nueva sonda como una misión previa mucho más barata. El director de la fundación Breakthrough Prize, Pete Worden —que también fue director del centro Ames de la NASA—, ha declarado que, efectivamente, han estado estudiando el problema a instancias de Milner, pero llegaron a la conclusión de que serían necesarios varios cientos de millones de dólares como mínimo para llevar a cabo una misión de este tipo. Comparado con lo que cuesta una misión de tipo New Frontiers es muy poco, pero Milner quiere reducir esa cifra todavía más.

Recreación de la sonda Cassini atravesando los géiseres del polo sur de Encélado (NASA).

Para entender cómo podemos explorar Encélado con una misión de bajo coste vale la pena repasar las misiones propuestas hasta la fecha. La naturaleza nos ha puesto las cosas fáciles con Encélado: no hace falta aterrizar en su superficie ni entrar en órbita alrededor de esta luna para estudiarla (aunque sin duda en el futuro se plantearán misiones así). Gracias a los más de cien géiseres que brotan de su hemisferio sur se puede analizar la composición del océano interno de esta luna. Simplemente atravesando los chorros somos capaces de averiguar las condiciones internas de este océano y sus fuentes hidrotermales y, lo más importante, investigar la hipotética presencia de formas de vida. Los géiseres de Encélado hacen de esta luna un objetivo muy goloso frente a otros mundos con océanos internos como Europa (esta luna de Júpiter tiene, debido a su tamaño, un mayor potencial astrobiológico que Encélado, pero no sabemos si hay fuentes hidrotermales y tampoco está clara la existencia de chorros en esta luna, aunque incluso de existir serían intermitentes).

Los géiseres de Encélado fueron descubiertos en 2005 por la propia Cassini, de ahí que esta sonda no estuviese dotada de instrumentos específicos para analizarlos. Hoy sabemos que los chorros liberan gases a un ritmo de 200 kg por segundo y 50 kg por segundo de partículas sólidas. Los gases son principalmente agua, metano, dióxido de carbono, amoniaco, hidrógeno y sustancias orgánicas, mientras que las partículas están formadas por dióxido de silicio, sales (sobre todo cloruro de sodio) y, también, sustancias orgánicas. Huelga decir que la clave es identificar esas sustancias orgánicas, entre las que podría haber biomarcadores.

Los chorros del hemisferio sur de Encélado vistos por la Cassini (NASA).

Otra ventaja de una misión a Encélado es que no es necesario blindar la nave para defenderse de un entorno de alta radiación como el que existe alrededor de Júpiter. La principal desventaja es que resulta mucho más complicado explorar Saturno con paneles solares que Júpiter. Con la tecnología actual resulta factible mandar una sonda a Júpiter que use energía solar. De hecho, en estos momentos ya tenemos a Juno por allí y en el futuro veremos las misiones Europa Clipper (NASA) y JUICE (ESA), ambas con paneles solares. Pero si enviar una sonda con paneles solares a Júpiter es complejo, a Saturno lo es mucho más, ya que este planeta recibe solo una cuarta parte de la energía solar que el gigante joviano. Construir paneles solares de gran tamaño para esta tarea no es sencillo. Lamentablemente, la alternativa, que usar generadores de radioisótopos (RTGs) a base de plutonio-238, es muy cara.

Sonda JET para estudiar Encélado y Titán (JPL/NASA).

Órbitas de JET en el sistema de Saturno (JPL/NASA).

Una propuesta relativamente sencilla para el estudio de Encélado fue la misión JET (Journey to Enceladus and Titan) de 2011, aunque su diseño sería refinado en 2013. Esta sonda, que competía en el programa Discovery, debía estudiar la composición de los chorros de Encélado y la alta atmósfera de Titán (casi todas las sondas para el estudio de Encélado incluyen la exploración de Titán, más que nada porque esta luna es la única con suficiente masa en el sistema de Saturno como para que pueda ser usada en maniobras de asistencia gravitatoria y alcanzar una órbita adecuada alrededor de Saturno que pase por Encélado varias veces). La misión principal de JET habría durado dos años, durante los cuales debería haber efectuado doce sobrevuelos de Titán y cuatro de Encélado. Lo malo es que por entonces se desconocía hasta qué punto Encélado es un lugar atractivo para la vida y su instrumentación no estaba a la altura de las circunstancias. Además, JET iba a usar RTGs de tipo Striling (ASRG), una tecnología cuyo desarrollo sería cancelado por la NASA poco después. Otra misión mucho más compleja que nació por esa época fue LIFE (Life Investigation For Enceladus), que también debía haber empleado ASRGs. LIFE era una propuesta muy ambiciosa porque, ojo al dato, incluía el retorno de muestras de los géiseres de Encélado a la Tierra, pero debía ser una misión de tipo Discovery de tan solo 425 millones de dólares.

Diseño final de LIFE de 2015 con un MMRTG y la cápsula de retorno de muestras (NASA).

A partir de entonces las propuestas de sondas para Encélado han empleado paneles solares para abaratar los costes y han incluido uno o varios espectrómetros de masas muy avanzados como instrumentos principales con el fin analizar en detalle la composición del océano interno. A cambio, las cámaras de alta resolución ya no son una prioridad (no interesa tanto saber cómo y dónde se forman los chorros sino averiguar su composición). Del mismo modo, se considera recomendable llevar un magnetómetro y un experimento de radio para medir las propiedades del océano y la estructura interior de Encélado. Una propuesta que aplicó estas lecciones fue la sonda THEO (Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean) de 2015. A diferencia de JET, THEO era un orbitador de Encélado, así que hubiera debido llevar suficiente combustible para realizar la doble inserción orbital alrededor de Saturno y, luego, Encélado. THEO habría efectuado 62 sobrevuelos de otras lunas de Saturno durante casi tres años con el fin de reducir el gasto de combustible en la inserción en la órbita de Encélado, así que estamos hablando de una misión casi comparable a Cassini. La energía la generarían dos paneles solares flexibles de tipo ROSA (Roll-Out Solar Array) de 72 metros cuadrados de superficie capaces de producir unos 594 vatios de potencia. La órbita de trabajo habría tenido treinta kilómetros de altura.

Orbitador de Encélado THEO (NASA).

Emblema de la misión THEO (NASA).

Pero, a pesar de llevar paneles solares, THEO era un buen concepto para una misión cara y compleja de tipo Flagship, pero no encajaba dentro del presupuesto de una misión New Frontiers como la que la NASA debe seleccionar en 2019. Por esta razón nació ELF (Enceladus Life Finder), una propuesta de 2015 que recuerda a THEO, pero que no contempla orbitar Encélado, sino que se limitaría a sobrevolarlo mientras rodea Saturno y, de paso, también estudia Titán, otra prioridad para la comunidad científica. La misión primaria de ELF, de dos años, incluiría entre ocho y diez pasos de la sonda a través de los géiseres a una altura de unos cincuenta kilómetros. ELF llevaría dos paneles solares ROSA que generarían 325 vatios junto con no uno, sino dos espectrómetros de masas muy compactos y avanzados para estudiar la composición de los géiseres y buscar la presencia de biomarcadores (lo malo es que, para ahorrar, no llevaría ningún otro instrumento). Los espectrómetros no solo nos darán información sobre las posibles biofirmas, sino que también nos dirán qué temperatura, pH, estado de oxidación y cantidad de energía química disponible existe en el océano interno, todos ellos datos fundamentales para entender este complejo mundo.

Sonda ELF para el estudio de Encélado. Se aprecia la órbita científica de 62 días y la trayectoria de los 8-10 sobrevuelos de la luna a través de los géiseres (NASA).

Los instrumentos principales de ELF: los espectrómetros de masas MASPEX y ENIJA (NASA).

Resolución espectral de MASPEX comparado con el espectrómetro de masas INMS de Cassini (NASA).

La nave atravesaría los géiseres de Encélado a una altura de 50 kilómetros con una velocidad de unos 5 km/s, una velocidad calculada para para ionizar sin fragmentar las moléculas orgánicas complejas que pudieran existir, facilitando su detección por los espectrómetros de masas (la densidad de los chorros es bastante baja: la sonda apenas atravesaría 0,00005 gramos de material por centímetro cuadrado en un recorrido de cincuenta kilómetros a través de los géiseres). ELF fue propuesta inicialmente para una misión de tipo Discovery —una categoría que claramente le quedaba muy pequeña— pero ahora compite por ser la próxima misión New Frontiers. Una misión muy parecida es E2T (Explorer of Enceladus and Titan), una especie de ELF con la colaboración de la agencia espacial europea (ESA) que ha sido propuesta para la quinta misión de tamaño medio de la ESA (M5). La única diferencia importante es que E2T también incorporaría una cámara infrarroja para ver las ‘rayas de tigre’ por donde salen los géiseres de Encélado. Otra sonda para Encélado que compite de cara a la próxima New Frontiers es ELSAH (Enceladus Life Signatures and Habitability), pero prácticamente no se conoce ningún detalle sobre esta misión y las posibles diferencias que pueda tener con ELF.

Tras este repaso a algunas de las propuestas actuales, que evidentemente son bastante caras, ¿qué puede ofrecer la iniciativa de Milner? Una forma de reducir el coste y complejidad de la sonda es realizar un único sobrevuelo de Encélado. Nada de dar vueltas alrededor de Saturno, directo a la diana. De esta forma ni siquiera sería necesario colocar la nave en órbita de Saturno, lo que nos permitiría reducir la masa de la sonda de forma muy significativa —y así se podría usar un cohete más pequeño— y simplificar sus operaciones al máximo. Otro punto en el que se puede buscar algún ahorro es la trayectoria de vuelo. Enviar a Saturno una sonda normal de forma directa —con un lanzador tipo Atlas V o Falcon 9— es imposible, salvo que usemos un cohete gigante como el SLS o el BFR, de ahí que las propuestas de la NASA comentadas hasta ahora empleen una trayectoria de tipo VEEGA o parecida, es decir, con dos sobrevuelos de la Tierra y uno de Venus (hasta 2035 no se podrá usar la gravedad de Júpiter como hizo Cassini por culpa de la posición de los planetas). Esta trayectoria implica unos diez años de tiempo de vuelo, mientras que un viaje directo llevaría unos cuatro o cinco años. Si optamos por añadir una etapa aceleradora de propulsión solar eléctrica con motores iónicos o una vela solar podemos reducir todavía más este tiempo de vuelo, aunque a costa de aumentar la complejidad, la masa y el coste de la misión.

Trayectoria VEEGA para llegar a Saturno en diez años (NASA/JPL).

Naturalmente, es de suponer que una sonda privada no tendrá RTGs, más que nada porque el coste de cada unidad ronda los 77 millones de dólares. Pero el empleo de energía solar a tales distancias tampoco es la panacea, ni mucho menos. Como hemos visto hay que usar paneles solares enormes o conformarse con una cantidad de energía ridícula. Sea como sea la iniciativa Breakthrough Prize deberá llegar a acuerdos con agencias espaciales para garantizar las comunicaciones con la sonda a través de la red de espacio profundo de la NASA (DSN) u otras instalaciones similares.

Por lo tanto, un posible diseño sería una sonda con uno o dos instrumentos, uno de los cuales debería ser un espectrómetro de masas, paneles solares y, si es factible, una vela solar o etapa de propulsión eléctrica para acelerar el viaje hasta Saturno. ¿Se puede hacer esto por unos cien millones de dólares? Poder se puede, pero otra cosa bien distinta es el riesgo que uno esté dispuesto a asumir. Con estos condicionantes, ¿logrará Milner financiar una sonda privada para el estudio de Encélado?

Fuente:  danielmarin.naukas.com