Una misión de retorno de muestras de Mercurio con velas solares

por Daniel Marín

Puede parecer sorprendente, pero alcanzar la superficie de Mercurio es más costoso en términos energéticos que viajar a la superficie de Marte. Y es que el planeta más cercano al Sol está tan adentro del pozo gravitatorio del Sol que enviar una sonda de superficie es tremendamente complicado. También influye que se trata de un planeta muy denso, por lo que la aceleración superficial de la gravedad es similar a la de Marte (0,38 g), a pesar de que Mercurio es el planeta más pequeño. Para poner este problema en contexto, veamos algunos números. Viajar hasta una órbita baja alrededor de Mercurio desde una órbita baja terrestre requiere una Delta-V de unos 13 km/s, pero para posarse en la superficie necesitamos 16 km/s. Como comparación, colocarnos en órbita marciana y aterrizar en el planeta rojo requiere una Delta-V de 5,7 km/s y 9,5 km/s, respectivamente. Incluso viajar a la órbita de Venus es más sencillo —6,8 km/s—, aunque sí es cierto que visitar la superficie del planeta gemelo de la Tierra es la maniobra energéticamente más costosa en el sistema solar interior, con una Delta-V total de 34 km/s.

Vela solar para una misión de retorno de muestras de Mercurio (NASA).

Por este motivo, si aterrizar en Mercurio es difícil, ir y volver lo es aún más. Y no hablamos de una misión tripulada, sino de una sonda de retorno de muestras. Las misiones de retorno de muestras son el santo grial de la exploración espacial. No importa lo avanzados y miniaturizados que estén los instrumentos de una sonda; sus contrapartidas terrestres siempre serán más sensibles, más numerosas y más modernas. Sirva como ejemplo el hecho de que la mejor ciencia que se ha hecho con las rocas lunares traídas por los astronautas del Apolo se ha hecho durante las últimas décadas. Las muestras planetarias nos permiten estudiar detalladamente la historia y edad del planeta o, al menos, de la zona donde se recojan. Pero, ¿cómo traer muestras de Mercurio?

Mercurio visto por MESSENGER (NASA/JHU-APL/JPL).

Un primer paso es utilizar varios sobrevuelos de Venus y la Tierra para efectuar maniobras de asistencia gravitatoria (la sonda MESSENGER de la NASA llevó a cabo dos encuentros con Venus y uno con nuestro planeta para llegar hasta las proximidades de Mercurio, una trayectoria similar a la que realizará la sonda euro-japonesa BepiColombo). Esta opción está bien para una sonda de tamaño normal, pero una sonda de retorno de muestras deberá tener una masa considerable mayor por culpa de los propergoles necesarios para aterrizar y despegar desde la superficie (obviamente, Mercurio no tiene atmósfera que permita usar escudos térmicos o paracaídas). Una solución es usar una vela solar para llegar a Mercurio, una técnica propulsiva que no requiere transportar ningún propelente.

A principios de siglo investigadores de la NASA y la ESA estudiaron un concepto de misión de retorno de muestras de Mercurio usando esta tecnología. La sonda, dotada de una vela de 275 metros de diámetro, tardaría 2,85 años en viajar de la Tierra a Mercurio en una trayectoria en espiral. Además de la vela solar, la sonda estaría formada por tres vehículos con una masa de unos 1.455 kg: el MDV (Mercury Descent Vehicle, para aterrizar en Mercurio), el MAV (Mercury Ascent Vehicle, para regresar a la órbita de Mercurio con las muestras) y el SRV (Sail Rendezvous Vehicle, que se acoplaría con la vela solar en órbita para regresar a la Tierra). La masa total de la sonda al lanzamiento con la etapa solar sería de unos 2.350 kg, lo que permitiría su lanzamiento mediante un cohete mediano como el H-IIA 202 japonés. El uso de la vela solar permitiría reducir la masa total de la misión en un 60% y el tiempo de vuelo en un 40%.

Vehículo de aterrizaje, formado por el MDV, MAV y SRV (Hughes et al.).

La sonda se situaría primero en una órbita polar heliosíncrona de 100 x 7.500 kilómetros desde donde se seleccionará el lugar de aterrizaje durante unos 130 días. Después se alcanzará una órbita circular de 100 kilómetros de altura. Esta órbita baja es necesaria para reducir el gasto de combustible del MAV y, por tanto, reducir la masa total de la sonda. La nave aterrizaría en una latitud relativamente alta con el objetivo de minimizar la insolación solar. Lo ideal sería descender en el interior de un cráter antiguo con algo de sombra sobre la superficie (los depósitos polares de hielo negro de Mercurio quedarían fuera del alcance de esta misión). La nave apagaría los motores a poca altura sobre la superficie para evitar la contaminación del regolito superficial y caería los últimos metros a peso. Un tren de aterrizaje especial absorbería el impacto.

Configuración de lanzamiento (Hughes et al.).

El objetivo sería recoger 350 gramos de muestras de al menos cuatro zonas de la superficie. La sonda pasaría unos cuatro días sobre la superficie antes de recoger las muestras y despegar hacia la órbita. En este tiempo la energía procedería de baterías (durante el resto de la misión la electricidad sería generada por paneles solares flexibles instalados sobre la vela solar). En la superficie se quedaría el MDV. Una vez acoplado con la vela, las muestras pasarían del SRV a una cápsula (ERV, Earth Return Vehicle). El viaje de regreso solo duraría un año gracias a la menor masa del vehículo y la cápsula con las muestras entraría en la atmósfera terrestre a 17 km/s. La duración total de la misión sería de apenas 4,4 años. Toda la misión saldría por unos 850 millones de euros (de principios de siglo).

Trayectoria hasta Mercurio (Hughes et al.).

Órbita inicial alrededor de Mercurio (Hughes et al.).

Trayectoria de regreso (Hughes et al.).

La principal pega de esta misión sería lograr el despliegue y control de una vela solar de casi trescientos metros durante más de cuatro años (la vela solar japonesa IKAROS solo tenía 20 metros). Pero la parte más compleja sería el acoplamiento del pequeño SRV, de tan solo 15 kg, con la vela solar en órbita de Mercurio. No en vano todavía no hemos sido capaces de traer muestras de Marte, un objetivo energéticamente más favorable y con un entorno térmico significativamente más benigno. Así que, ¿cuánto tardaremos en tener entre nosotros muestras del planeta más pequeño del sistema solar?

Fuente:  danielmarin.naukas.com