El Observatorio Cuyano

Lanzada la sonda BepiColombo a Mercurio: Europa y Japón explorando el planeta más pequeño del sistema solar

por Daniel Marín

Después de Urano y Neptuno, Mercurio es el planeta peor conocido del sistema solar. Únicamente ha sido visitado por dos sondas, la Mariner 10 y MESSENGER, ambas de la NASA. Pero ya hay una tercera misión en camino: la sonda BepiColombo, una colaboración entre la agencia espacial europea (ESA) y la agencia espacial japonesa (JAXA). En realidad, BepiColombo es una misión muy particular porque no está formada por una única sonda, sino por dos, MPO y MMO (Mio), que orbitarán Mercurio a partir de 2025 con el objetivo de desentrañar sus secretos. Además de ambas sondas, BepiColombo incluye una tercera nave, MTM, encargada de llevarlas sondas hasta las cercanías del planeta más interno del sistema solar. BepiColombo fue lanzada el 20 de octubre de 2018 a las 01:45 UTC mediante un Ariane 5 ECA en la misión VA245 desde la rampa ELA-3 de Kourou (Guayana Francesa). A pesar de haber sido lanzada mediante un potente Ariane 5, BepiColombo deberá realizar un sobrevuelo de la Tierra, dos de Venus y cinco de Mercurio para colocarse en órbita alrededor de este último. BepiColombo es la primera sonda europea que explorará Mercurio, por lo que ya podemos decir que la ESA ha enviado naves a todos los planetas del sistema solar interior.

La sonda BepiColombo (ESA).

Las misiones Mariner 10 y MESSENGER de la NASA han descubierto que Mercurio es básicamente un enorme núcleo de hierro y níquel rodeado por un manto y una corteza muy finos. ¿Cómo se ha podido formar un planeta así? La densidad media de Mercurio es superior a la de Venus y entre los planetas rocosos solo es superada por la Tierra, a pesar de que la menor masa de Mercurio impide que los minerales del interior estén tan comprimidos como en el caso de Venus y la Tierra. Y es que la alta densidad es debida al enorme tamaño del núcleo, situado a tan solo 400 kilómetros de la superficie. El núcleo presenta, como la Tierra, una parte exterior fundida y una interior sólida. Al igual que en nuestro planeta, el núcleo exterior líquido de hierro y níquel es el responsable de generar un campo magnético dipolar. La magnetosfera de Mercurio, que está separada del eje de rotación una distancia igual al 20% del del planeta, es unas cien veces menos intensa que la terrestre, lo que combinado con la cercanía de Mercurio al Sol hace que apenas pueda mantener a raya el viento solar. Esta interacción con el viento solar genera un campo inducido en el núcleo con una magnitud parecida a la del campo planetario. El campo magnético fósil detectado en la corteza indica que hace unos 3.800 millones de años la magnetosfera de Mercurio tuvo que ser comparable a la terrestre en la actualidad.

Lanzamiento de BepiColombo (ESA).

Interior de Mercurio (ESA).

No está claro cómo es posible que el núcleo externo de Mercurio se haya mantenido en estado fundido durante todo este tiempo. Además de la desintegración de elementos radiactivos, las fuerzas de marea generadas por su cercanía al Sol deben jugar un papel nada despreciable. Pese a todo, desde que se formó el núcleo se ha enfriado y, en consecuencia, se ha contraído. Mercurio es ahora unos 7 kilómetros más pequeño que en sus inicios, lo que ha provocado la aparición de largas «arrugas» por toda la superficie. Aparentemente parecido a la Luna, Mercurio es en realidad un mundo muy distinto con una historia radicalmente diferente. Este pequeño planeta de 4.879 kilómetros de diámetro tiene planicies más «jóvenes» —unos 3.500 millones de años— de origen volcánico y enormes cuencas de impacto como Caloris (de 1.550 kilómetros). En la sombra permanente de los cráteres que están a menos 6,5º de los polos hay grandes cantidades de hielo —un trillón de toneladas, mucho más que en la Luna—, tanto en estado más o menos puro como mezclado con sustancias orgánicas. Pese a su alta densidad, uno de los misterios de Mercurio es que la corteza contiene muchos elementos volátiles (sodio, potasio, cloro o azufre) y muy poco oxígeno. Conciliar este hecho con una formación catastrófica, como hacen la mayoría de modelos, es casi imposible. Otro misterio son los hollows, zonas de la superficie en las que estos elementos volátiles parecen haberse sublimado mediante mecanismos que no están del todo claros.

Magnetosfera de Mercurio (ESA).

Comparativa entre la magnetosfera de Mercurio (izquierda) y la terrestre (JAXA).

BepiColombo deberá resolver estos y otros enigmas. La sonda, que recibe en conjunto la denominación MCS (Mercury Composite Spacecraft), tiene una masa de 4.081 kg al lanzamiento, 6,4 metros de longitud y 3,6 metros de diámetro. Está integrada por cuatro elementos, el MTM (Mercury Transfer Module), MPO (Mercury Planetary Orbiter), el MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) y el escudo térmico del MMO, denominado MOSIF (MMO Sunshield and InterFace Structure). MPO, de fabricación europea, es el elemento principal de la misión y tiene una masa de 1.838 kg, con unas dimensiones de 6,3 x 3,9 x 3,6 metros. Incluye nada más y nada menos que once instrumentos científicos procedentes de 35 países. El instrumento más importante es SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for MPO BepiColombo-Integrated Observatory SYStem), de 8,7 kg. Está formado por la cámara en estéreo STC, la cámara de alta resolución HRIC y el espectrómetro VIHI. La cámara HRIC dispone de un telescopio Ritchey-Chrétien de 10 centímetros de apertura y es capaz de obtener imágenes con una resolución de 5 metros por píxel desde 400 kilómetros de altura. Como comparación, la cámara NAC de la sonda MESSENGER tenía una resolución de unos 100 metros desde una órbita de 200 kilómetros. El espectrómetro VIHI trabajará en el rango de longitudes de onda de 400 a 2.000 nanómetros en 256 canales diferentes, con una resolución espacial de 100 metros por píxel.

Misión BepiColombo (ESA).

Partes de BepiColombo (ESA).

Partes de BepiColombo (Airbus Defence and Space).

Elementos de BepiColombo (ESA).

El altímetro láser BELA (BepiColombo Laser Altimeter) proporcionará un mapa del terreno de Mercurio en tres dimensiones con una resolución de unos 20 metros en horizontal y 30 centímetros en vertical. El espectrómetro infrarrojo MERTIS (MErcury Radiometer and Thermal infrared Imaging Spectrometer) estudiará la composición de la superficie en el rango de longitudes de onda de 7 a 40 micras, lo que permitirá crear mapas de temperaturas con una resolución de 2.000 metros y de composición con una resolución de 500 metros. Los espectrómetros de neutrones y altas energías MGNS (Mercury Gamma Ray and Neutron Spectrometer) y MIXS (Mercury Imaging X-Ray Spectrometer) ayudarán a MERTIS a descifrar la composición de Mercurio. La interacción entre la superficie y el viento solar será el objetivo del espectrómetro de rayos X SIXS (Solar Intensity X-rays and Particles Spectrometer). La exosfera de Mercurio, una tenue cubierta de iones y partículas, será estudiada por el espectroscopio ultravioleta PHEBUS (BepiColombo’s Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy) y el detector de partículas SERENA (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances). El magnetómetro MERMAG (Mercury Magnetometer) analizará la magnetosfera, mientras que la estructura interna del planeta será estudiada por los instrumentos ISA (Italian Spring Accelerometer) y MORE (Mercury Orbiter Radioscience Experiment), que también comprobarán las predicciones de la relatividad general de Einstein.

Instrumentos de MPO (ESA).

Cámaras SIMBIO-SYS (ESA).

La sonda europea MPO (ESA).

Características e instrumentos de MPO (ESA).

Para proteger el MPO de las elevadas temperaturas de la órbita de Mercurio se ha usado una cubierta con hasta 50 capas de distintos materiales con un espesor de 65 milímetros y una masa total de 94 kg. Las dos capas exteriores son de Nextel, un tipo de tela cerámica, que soportará unos 400 ºC. Las siguientes 11 capas son de aluminio y las restantes son de Upilex y Mylar. El único panel solar de 7,5 metros de largo y 8,2 metros cuadrados proporcionará 1.800 vatios en la órbita de Mercurio. Estará inclinado continuamente hasta unos 75º para que la temperatura de su superficie no supere los 190 ºC, ya que de no ser así se degradaría rápidamente. Las celdas fotovoltaicas están intercaladas con reflectores solares OSR (Optical Solar Reflectors) —una especie de espejos— para disminuir la temperatura. Por otro lado, cuando la sonda pase por la sombra de Mercurio deberá soportar temperaturas de -170 ºC. Hasta 97 tuberías se encargarán de refrigerar la nave con ayuda de un panel radiador situado en el extremo opuesto al panel solar.

Distintas capas que protegen el MPO de las altas temperaturas (ESA).

MPO con el radiador en primer plano (ESA).

Tres antenas, de baja (LGA), media ganancia (MGA) y de alta ganancia (HGA), esta última con un diámetro de 1,1 metros, se encargarán de las comunicaciones del MPO con la Tierra. MPO transmitirá hasta 1.550 GB de datos al año. El orbitador lleva cuatro propulsores de 22 newton de empuje alimentados por hidrazina y MON (óxidos de nitrógeno), además de otros cuatro propulsores de 5 newton a base de hidrazina solamente. MPO lleva 669 kg de hipergoles con capacidad para generar una Delta-V total de 1 km/s.

Los distintos elementos de BepiColombo con MMO en el MOSIF (JAXA).

El orbitador japonés Mio (みお) o MMO tiene forma octogonal y una masa de 275 kg, con unas dimensiones de 1,8 x 1,2 metros. MMO lleva cinco instrumentos: PWI (Mercury Plasma Wave Instrument), para el estudio de las ondas de radio y plasma de la magnetosfera, formado por cuatro antenas desplegables de 15 metros; MMO-MGF (Magnetic Field Investigation), dos magnetómetros situados en el extremo de dos brazos desplegables de 5 metros; MSASI (Mercury Sodium Atmosphere Spectral Imager), medirá la abundancia de sodio en la exosfera de Mercurio; MDM (Mercury Dust Monitor), para analizar el polvo interplanetario en la órbita de Mercurio, y por último, MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment), que son siete sensores para estudiar el plasma y partículas energéticas de la magnetosfera y su interacción con el viento solar. El escudo MOSIF que protege la sonda japonesa MMO tiene una masa de 125 kg y lleva ocho capas de material aislante (una de Nextel y siete de titanio). Sus dimensiones son de 1,8 metros de altura y 3 metros de diámetro.

Vista de Mio/MMO (ESA).

Orbitador japonés Mio (MMO) (ESA).

MMO estudiará la atmósfera de sodio alrededor de Mercurio (JAXA).

Elementos de Mio (MMO) (ESA).

Otra vista de MMO (JAXA).

Llegar hasta la órbita de Mercurio no será sencillo. BepiColombo necesita llevar a cabo maniobras con una Delta-V total de 7 km/s. De ellos, 4,2 km/s serán proporcionados por el módulo MTM de propulsión iónica, mientras que el resto se logrará gracias a maniobras de asistencia gravitatoria: una con la Tierra, dos con Venus y cinco con Mercurio (sin contar la inserción orbital final). El MTM (Mercury Transfer Module), construido por la ESA, es el elemento más pesado del vehículo, con 1872 kg. Incorpora cuatro motores iónicos QinetiQ T6 de fabricación británica y 145 milinewtons de empuje. Su diseño está basado en los T5 empleados en la misión GOCE. Los motores pueden funcionar en parejas o de uno en uno y su potencia es de 5 kilovatios cada uno. Usan 580 kg de xenón como propelente, que se almacenan en tres tanques, de tal forma que la Delta-V total del módulo es de 5,4 km/s. El MTM dispone de dos paneles solares de 40 metros cuadrados y 290 kg de masa que proporcionan unos 13 kilovatios. La envergadura de los paneles solares alcanza los 30 metros una vez desplegados. El MTM también lleva 24 propulsores de 10 newton a base de 157 kg MMH y MON que se encargarán del control de posición de la sonda durante el viaje de crucero (en realidad solo se usan 12 en un momento dado y el resto son de reserva). Si el MTM no emplease propulsión iónica tendría que llevar dos toneladas adicionales de combustible. El MTM tiene además tres cámaras M-CAM para comprobar el buen estado de los elementos del vehículo durante el viaje a Mercurio.

Motores iónicos del MTM (ESA).

Trayectoria de BepiColombo (ESA).

BepiColombo sobrevuela Venus (ESA).

El MTM se separa de la sonda (ESA).

MTM se separará del resto de la nave el 24 de octubre de 2025 tras efectuar 18 vueltas alrededor del Sol. La inserción en órbita de Mercurio tendrá lugar el 5 de diciembre de 2025 y se llevará a cabo mediante el sistema de propulsión del MPO. La órbita inicial será de 674 x 178.000 kilómetros. El MPO europeo será situado en una órbita científica polar de 480 x 1.500 kilómetros con un periodo de 2,3 horas, mientras que el MMO japonés estará en una órbita polar más excéntrica, de 590 x 11.640 kilómetros y un periodo de 9,3 horas. El MMO se separará el 20 de diciembre de 2025 y el MPO alcanzará su órbita definitiva el 14 de marzo de 2026, tras haber soltado el MOSIF el 26 de diciembre de 2025.

Órbita de MPO y MMO comparada con MESSENGER (ESA).

Órbitas de MPO y MMO (ESA).

Órbita de MPO (ESA).

El nombre de la misión es en honor al científico italiano Giuseppe Colombo, más conocido como Bepi Colombo (en italiano Bepi es uno de los diminutivos de Giuseppe, como en español Pepe de José; otros son Beppe, Beppino, Peppe, Peppino o Peppo). Colombo (1929-1984) describió las maniobras de asistencia gravitatoria para el estudio de Mercurio teniendo en cuenta que el periodo de rotación del planeta está en resonancia 3:2 con el de traslación. Estos estudios se aplicarían posteriormente en el diseño de la trayectoria de la Mariner 10 de la NASA, que visitó Mercurio en tres ocasiones entre 1974 y 1975. De paso, el nombre refleja el importante papel que ha jugado Italia en el desarrollo y financiación de la misión.

BepiColombo (Aribus Defence and Space).

BepiColombo (ESA).

BepiColombo nació a finales del siglo pasado como la misión definitiva para el estudio de Mercurio. Además del MPO y el MMO debía llevar una sonda de superficie, el MSE (Mercury Surface Element), que sería cancelada por su alto presupuesto. La colaboración con la JAXA, que se encargaría del MMO, sirvió para mantener vivo el proyecto. Inicialmente debía despegar en 2013 mediante un cohete Soyuz/Fregat, pero la participación de la ESA aumentó de tamaño y se decidió dividir el MPO en el orbitador y el MTM, haciendo la sonda demasiado pesada para ser lanzada por el Soyuz. La misión ha sido objeto de críticas por su alto coste —inicialmente no debía superar los 665 millones de euros— y sucesivos retrasos, especialmente al compararla con la sonda de bajo coste MESSENGER de la NASA. En 2009 fue finalmente aprobada de cara a un lanzamiento en 2014.

Giuseppe Colombo (ESA).

BepiColombo es la sonda más avanzada y compleja jamás enviada a Mercurio. También es una de las misiones europeas más caras. La ESA y la JAXA se han gastado 1.650 millones de euros en esta misión, pero varias agencias espaciales de países europeos han financiado el desarrollo de instrumentos de su bolsillo, por lo que el presupuesto total de la misión ronda los tres mil millones de euros. Esta cifra sitúa a BepiColombo al mismo nivel de coste que las sondas Flagship de la NASA. Si queremos desentrañar los misterios de Mercurio está claro que no nos va a salir barato.