Una misión para visitar el cinturón de Kuiper partiendo desde la órbita de Plutón

por Daniel Marín

Lo que llamamos de forma muy simplista como «sistema solar exterior» —o sea, todo lo que está más allá del cinturón de asteroides— es en realidad una enorme colección de planetas, planetas enanos, lunas y cuerpos menores terriblemente compleja que desafía cualquier intento de clasificación. ¿Qué debemos explorar primero? La NASA lo tiene claro: la prioridad son los gigantes de hielo, Urano y Neptuno, los planetas peor estudiados del sistema solar. Pero otros científicos planetarios consideran que centrarse en los gigantes de hielo supone dejar de lado el cinturón de Kuiper durante las próximas décadas, justo ahora que la misión New Horizons nos ha enseñado que Plutón es un mundo extremadamente interesante. Una reciente propuesta de varios investigadores liderados por Alan Stern abogaba por visitar los gigantes de hielo y varios objetos del cinturón de Kuiper en una misma misión. Pero, ¿qué hay de Plutón? En todas las variantes existentes el mayor objeto del cinturón de Kuiper —Eris es más masivo, pero también más pequeño— se queda fuera de los planes de exploración. ¿Por qué? Porque la siguiente misión a Plutón debería ser un orbitador o una nave de aterrizaje si lo que queremos es aprender más de este fascinante cuerpo. Y eso es un cul-de-sac en términos energéticos.

PROSERPINE, una sonda de propulsión nuclear eléctrica (NEP) explora el sistema de Plutón en 2048 (University of Kansas).

Es decir, una futura sonda a Plutón solo podría estudiar este planeta enano, pero, como hemos visto, en el sistema solar exterior hay demasiados objetivos esperando ser explorados. Incluso empleando propulsión iónica, una nave que alcance la órbita de Plutón lo tendría muy difícil para volver a salir del pozo gravitatorio del planeta enano y explorar otros objetos del cinturón de Kuiper. ¿O no?

Plutón y Caronte vistos por la New Horizon en 2015 (NASA/JHUAPL/SwRI).

Pues parece que no necesariamente. Un equipo de investigadores del SwRI (Southwest Research Institute) formado por Alan Stern, Mark Tapley, Amanda Zangari, John Scherrer y Tiffany Finley, ha demostrado que un futuro orbitador de Plutón podría escapar de la gravedad del planeta enano «gratis» para proseguir con el estudio del cinturón de Kuiper. La clave es realizar maniobras de asistencia gravitatoria entre Plutón y su luna más grande, Caronte. Eso sí, la sonda debe ir equipada con un sistema de propulsión eléctrica con motores iónicos. Este tipo de propulsión nunca se ha empleado en el sistema solar exterior y sería la primera vez que se emplease un RTG o reactor nuclear para alimentar los motores iónicos o de plasma en vez de paneles solares.

La sonda realizaría un estudio sistemático de Plutón y sus cinco lunas ayudándose de decenas de sobrevuelos de Caronte. Esto permitiría llevar a cabo un mínimo de cinco sobrevuelos de las otras cuatro lunas menores (Nix, Hidra, Cerbera y Estigia), así como observar las regiones polares de Plutón y Caronte. Después de unos cincuenta sobrevuelos de Caronte acompañados de unos quince encuentros cercanos con Plutón para estudiar su atmósfera y tomar imágenes en alta resolución, la sonda podría escapar del sistema y tomar rumbo a un objeto del cinturón de Kuiper. Dependiendo de la geometría del encuentro, la nave podría situarse en órbita del mismo usando su sistema de propulsión eléctrico. Por otro lado, Zangari, Finley y Stern han identificado en otro paper hasta 45 objetos del cinturón de Kuiper susceptibles de ser visitados por una sonda siempre y cuando se lance entre 2025 y 2040. En el mismo artículo se señala la posibilidad de realizar misiones a Eris o Sedna usando asistencias gravitatorias de Júpiter y Neptuno, o bien misiones a Quaoar, Makemake y Haumea pasando por Júpiter y Saturno (en este caso no se podría explorar un gigante de hielo). También existe la opción de viajar a Varuna tras un sobrevuelo de Júpiter y otro de Urano. Todas estas misiones durarían un máximo de 25 años (por supuesto, si en vez de visitar los objetos antes mencionados elegimos otros cuerpos del cinturón de Kuiper de menor importancia, el número de posibles misiones aumenta). Dicho con otras palabras, tenemos una oportunidad real de estudiar Urano y Neptuno junto con varios objetos del cinturón de Kuiper, una opción que podría incorporarse en una misión múltiple de dos sondas que incluya un orbitador a Plutón y otro cuerpo menor.

Posible arquitectura de misión de una sonda en el sistema de Plutón con trayectoria de escape usando maniobras de asistencia con Caronte (SwRI).

El uso de Caronte para moverse por el sistema de Plutón recuerda a las órbitas que realizó la sonda Cassini alrededor de Saturno, usando la gravedad de Titán para moverse por el conjunto de lunas, y será parecida a la que usaría un hipotético orbitador de Neptuno, que también tendría que usar la gravedad de la mayor luna del planeta, en este caso Tritón (Júpiter y Urano son casos distintos, y más favorables, porque hay varios satélites de gran tamaño que se pueden emplear para maniobras de asistencia gravitatoria). La idea de jugar con la gravedad de Plutón y Caronte para moverse por el sistema no es nueva y ya se habían propuesto arquitecturas parecidas, pero la diferencia es que antes del encuentro de la New Horizons en 2015 no se sabía la masa y el tamaño exacto de ambos cuerpos y, por lo tanto, las trayectorias tenían una incertidumbre muy alta. Además, tampoco se conocía el número exacto de lunas menores de Plutón o sus órbitas, un requisito indispensable para planificar cuidadosamente un tour exhaustivo por el sistema plutoniano.

Ejemplo de misión que, tras orbitar Plutón, sobrevolaría otros cuerpos del cinturón de Kuiper antes de entrar en órbita alrededor de 2002 MS4 (SwRI).

¿Cómo sería una sonda de este tipo? Todavía es muy pronto para saberlo, pero se podría usar una especie de New Horizons más grande con sistema de propulsión eléctrico o un diseño completamente distinto, como la propuesta PROSERPINE de un grupo de estudiantes de la Universidad de Kansas. PROSERPINE (Pluto Research Orbiter Studying Experimental Rocket Propulsion for Improving trans-Neptunian Exploration) sería un orbitador de Plutón de 4,4 toneladas dotado de propulsión nuclear eléctrica (NEP) que llevaría motores iónicos a base de xenón para moverse por el sistema plutoniano. Despegaría alrededor de 2031 mediante un cohete similar al Atlas V y, tras realizar un sobrevuelo de Júpiter, llegaría a Plutón en 2048.

PROSERPINE: una propuesta de sonda de propulsión nuclear eléctrica NEP para estudiar Plutón (University of Kansas).

Detalles de PROSERPINE (University of Kansas).

La sonda dispondría de tres motores iónicos de tipo NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) y transportaría 1.350 kg de xenón, suficiente para lograr una Delta-V total de 17 km/s. La principal novedad de la misión es que no haría uso de RTG, sino que se alimentaría mediante un reactor nuclear Kilopower de 8,5 kilovatios de potencia eléctrica (vamos, una especie de Proyecto Prometeo 2.0). PROSERPINE es una simple propuesta sin carácter oficial, pero evidentemente se podría adaptar algo así de cara a una misión que estudiase Plutón y otro cuerpo del cinturón de Kuiper. Como vemos, no será por ideas. El problema es que el número de objetivos interesantes del sistema solar exterior no para de aumentar, pero el porcentaje de los mismos que pueden ser visitados tras sobrevuelos de planetas gigantes es muy pequeño. Y, por si fuera poco, los tiempos de vuelo son extremadamente largos. ¿Tendremos paciencia y salud para aguantar hasta 2050?

Fuente: danielmarin.naukas.com