Explorador de Encelado y Titán


Podría decirse que la búsqueda de otro mundo con vida en nuestro sistema solar se ha convertido en el tema más poderoso en la exploración planetaria.
Si bien es probable que la vida microbiana, la forma de vida más probable en otras partes del sistema solar, sea difícil de probar con una serie unificada de misiones pasadas, actuales y planificadas a Marte.
La NASA está desarrollando un orbitador para investigar la habitabilidad de Europa y estudiando un módulo de seguimiento para buscar vida directamente. Y por tercera vez en menos de una década, los científicos han propuesto una misión de sobrevuelo múltiple para explorar la habitabilidad de las lunas oceánicas de Saturno, Titán y Encelado.

La última propuesta, liderada por científicos europeos, se llama Explorador de Encelado y Titán (E2T). Se basa en la experiencia obtenida de dos propuestas anteriores menos ambiciosas, dirigidas por científicos estadounidenses, Journey to Enceladus (JET) en 2010 y Enceladus Life Finder (ELF) en 2014.

Conocí al investigador principal de la E2T propuesta, Giuseppe Mitri con la Universidad de Nantes, en una conferencia en diciembre. Discutimos la propuesta de su equipo y posteriormente me proporcionó una visión integral de los objetivos y la implementación de la misión. En un correo electrónico que me envió, explicó la motivación de la misión: “Encélado y Titán son dos mundos únicos en el Sistema Solar no solo por su geología y evolución sino también por su habitabilidad. Las misiones de sobrevuelo como E2T brindan una oportunidad sin precedentes para explorar en detalle, superando a Cassini, dos mundos en una sola misión de costo relativamente bajo”.

Explorador de Encelado y Titan
Crédito: Guiseppe Mitri y el equipo Explorador de Encelado y Titán

Para los científicos interesados ​​en la habitabilidad y la vida, Titán y Encelado son objetivos obvios para la exploración. La nave espacial Cassini, que se acerca al final de su exploración de trece años del sistema de Saturno, descubrió que ambos mundos tienen océanos de agua salada debajo de las costras heladas. Titán también tiene un rico guiso de moléculas orgánicas en su atmósfera que se depositan en su superficie y en sus mares superficiales de metano-etano. Enceladus convenientemente tiene penachos lanzando muestras de su océano al espacio. Dentro de los penachos, los instrumentos de Cassini han encontrado moléculas orgánicas y oligoelementos que sugieren interacciones hidrotermales de agua y roca que podrían proporcionar un hábitat para los microbios.

Las tres misiones propuestas a Encelado y Titán emplearían naves espaciales relativamente simples con solo dos o tres instrumentos. Están en contraste con la misión planificada de la NASA para explorar la habitabilidad de Europa, otro mundo oceánico. La misión Europa contará con nueve instrumentos, varios de los cuales producirán inundaciones de datos que requieren un sistema de comunicaciones de alta potencia para devolver los datos a la Tierra.

Una diferencia clave entre las misiones de las lunas de Europa y Saturno es la historia previa de exploración. Europa fue explorada por la nave espacial Galileo construida con tecnología de la década de 1970 que tenía un sistema de comunicaciones paralizado. Como resultado, la nueva misión Europa de la NASA debe realizar su propio estudio global integral de este mundo. En Saturno, esta investigación inicial de Encelado y Titán ha sido realizada por la nave espacial Cassini de alta capacidad construida con tecnología de los años 90. Como resultado, la próxima misión a estas lunas puede centrarse en algunas preguntas específicas que se pueden responder con dos o tres instrumentos.

(Para aquellos de ustedes que recuerdan que la nave espacial Galileo exploró el sistema de Júpiter en la década de 1990, la nave espacial completa permaneció en el suelo durante casi una década debido a retrasos en el lanzamiento).

dos de la E2El instrumento de la nave espacial T se centraría en en el lugar medidas de composicion En Enceladus, la nave espacial puede volar a través de las columnas y saborear directamente el contenido del océano. En Titán, las moléculas orgánicas complejas se transportan a las franjas más externas de la atmósfera, donde la nave espacial puede tomar muestras de la química de la atmósfera.

El e2Los dos espectrómetros de masas de la nave espacial T tomarían muestras de material durante cada paso y determinarían su composición «pesando» sus moléculas constituyentes. La distribución de los pesos de las diferentes moléculas se puede interpretar para determinar la composición del material original. El espectrómetro de masas de iones y gases neutros de la nave espacial determinaría la composición de los gases, mientras que el Enceladus Icy Jet Analyzer determinaría la composición de las partículas de hielo, sal y polvo en las columnas de Enceladus.
Los dos espectrómetros de masas medirán la naturaleza de los productos químicos orgánicos, el patrón de isótopos de carbono, la abundancia relativa de gases nobles y buscarán aminoácidos y proporciones anormales de isótopos en moléculas orgánicas que sugieran un origen biológico.

La nave espacial Cassini llevaba versiones de estos dos instrumentos, pero el E2Los instrumentos T tendrían una mejora de cuarenta a cincuenta veces mayor en resolución (la capacidad de distinguir moléculas similares) y sensibilidad (la capacidad de medir cantidades diminutas de una sustancia) en comparación con sus predecesores.
(La misión Europa de la NASA llevaría instrumentos similares a E2T’s como la misión JUICE de Europa a Júpiter y su luna Ganímedes).

El e2El equipo tiene varias preguntas clave que abordarían los dos espectrómetros de masas. Para Enceladus, ¿los materiales en la pluma son más probables de su formación o de procesos geológicos o biológicos actuales? ¿Qué revela la composición sobre la naturaleza del depósito líquido (actualmente se cree que es un océano global debajo de un casquete helado) y su potencial como hábitat para la vida? Para Titán, ¿cuáles son las fuentes de sus volátiles y cómo se han procesado posteriormente? ¿La composición atmosférica sugiere que la atmósfera actual se refresca con material que llega a la superficie desde las aguas profundas del océano?

El e2El tercer instrumento de la nave espacial de T tomaría imágenes de la superficie de Titán y las fuentes de las plumas de Encelado (las llamadas ‘rayas de tigre’) en el infrarrojo de onda corta y cercana. (El nombre del instrumento deletrea TIGER para la cámara Titan Imaging and Geology, Enceladus Reconnaissance). Titán está perpetuamente envuelto en neblina atmosférica, ocultando la superficie de las cámaras que toman imágenes en la mayoría de las longitudes de onda. Sin embargo, las ventanas espectrales de 1,3, 2 y 5 micrones permiten que una cámara tome imágenes de la superficie con una resolución varias veces más fina que un instrumento similar en la nave espacial Cassini (y también con una resolución mejor que las imágenes de radar de Cassini). Las imágenes devueltas por la cámara abordarán varias preguntas clave como: ¿En qué medida los sedimentos son producidos y transportados por procesos fluviales y eólicos? ¿Cómo han modificado la superficie los ríos y mares de metano y etano líquidos? ¿Cómo varía la composición de la superficie, revelada por los tres ‘colores’ de las bandas espectrales?

Si la E2La misión T es seleccionada como finalista en la competencia de clase media de la ESA, el equipo investigará si se podría agregar un experimento científico de radio para estudiar el campo gravitacional de las dos lunas. Si es así, este experimento investigará el grosor y las propiedades mecánicas de la capa de hielo en el polo sur de Encelado, donde se originan las columnas. Las medidas de gravedad también se usarían para investigar la capa de hielo de Titán y las propiedades de su océano interno.

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Él mi2El equipo T no ha publicado una descripción de su cobertura de imágenes planificada de la superficie de Titán o vuelos a través de las columnas de Encelado. Sin embargo, la propuesta JET similar habría captado imágenes de grandes porciones de la superficie de Titán con una resolución varias veces superior a la de los instrumentos de Cassini y habría volado a través de las columnas a diferentes altitudes. Crédito: JPL/Caltech

CHORRO

DUENDE

mi2T

Espectrómetro de masas neutras e iónicas

X

X

X

espectrómetro de masas de partículas

X

X

Infrarrojo cámara

X

X

Comparación de los instrumentos propuestos para los tres orbitadores de Saturno propuestos que realizarían múltiples sobrevuelos de Encelado y Titán.
El e2El equipo T propone una misión más ambiciosa que la de los equipos precedentes.

Si Titán y Encelado son objetivos obvios para una mayor exploración, ¿qué es lo sorprendente de E2T y sus propuestas predecesoras es que se presentaron para la clase de misiones de menor costo voladas por la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA para explorar los planetas.

Tanto la ESA como la NASA tienen categorías de misión para la exploración planetaria de bajo costo y precio similar.
Para los europeos, este es el programa de misiones de clase media donde se pueden proponer misiones para ciencia planetaria, astrofísica o heliofísica. Para los estadounidenses, este es el programa Discovery que se dedica a la exploración del sistema solar. Estos programas limitan el coste de los costes gestionados directamente por el investigador principal de la misión en 550 millones de euros para la ESA y 450 millones de dólares para la NASA. (Un euro gastado en Europa y un dólar gastado en los Estados Unidos tienen un poder adquisitivo similar). Para las misiones de la ESA, el límite debe cubrir la nave espacial, las operaciones de la misión y el lanzamiento, pero no incluye los costos de los instrumentos, los equipos científicos o el análisis de datos, que las naciones individuales pagan por separado. Para las misiones de la NASA, el tope debe cubrir la nave espacial, los instrumentos y el equipo científico (excepto aquellos aportados por naciones extranjeras), pero no incluye las operaciones de lanzamiento o misión, que la NASA paga por separado. (La diferencia en la forma en que la ESA y la NASA contabilizan los costos de los instrumentos explica por qué las propuestas de misiones europeas suelen incluir más instrumentos que las propuestas estadounidenses similares. Para las misiones europeas, los instrumentos están fuera del presupuesto del PI. A los proponentes estadounidenses les gusta incluir instrumentos extranjeros pagados por sus gobiernos porque nuevamente están fuera del presupuesto de PI).

Una vez que se suman todos los costos, estas misiones generalmente cuestan entre 600 y 700 millones de euros o dólares. Sin embargo, esto sigue siendo solo alrededor del 60% del costo de la misión de planetas exteriores más barata hasta la fecha, el orbitador Juno Júpiter, con $ 1.1 mil millones. (La nave espacial Juno tiene que sobrevivir a los intensos niveles de radiación de Júpiter, que están ausentes en Saturno, lo que representa una parte de sus mayores costos).

Desarrollar una propuesta ganadora para una misión a Saturno por menos de 700 millones de euros es un desafío. Según el resumen de una próxima conferencia, las misiones JET y ELF “fueron rechazadas [by NASA] por un riesgo de costo demasiado alto”.

El e2La propuesta T, sin embargo, incorpora las lecciones aprendidas de esas propuestas anteriores, y los científicos de los esfuerzos anteriores son miembros de la E2equipo T. No estamos al tanto de todos los detalles de cómo el E2El equipo T propone ajustarse al tope presupuestario. Esta información es una parte clave de la ventaja competitiva de la propuesta. (La presentación sobre la misión que me proporcionó el Dr. Mitri, por ejemplo, tiene varias cifras eliminadas porque revelarían demasiado sobre los detalles clave de la propuesta). Sin embargo, el equipo ha compartido suficiente información sobre la misión para revelar algunas de las estrategias clave.

Como se describió anteriormente, la E2Tendría objetivos científicos limitados y enfocados que permitirían una nave espacial simple y de bajo costo. Una vez en Saturno, la nave espacial orbitaría Saturno con seis sobrevuelos de Encelado y diecisiete sobrevuelos de Titán durante 3,5 años. En las semanas entre encuentros, la nave espacial devolvería tranquilamente los datos de cada sobrevuelo a la Tierra. Esto permite una tasa de retorno de datos máxima más baja, que se refleja en el diseño de la nave espacial, lo que reduce los costos de la misión. Tener solo tres instrumentos y un tiempo considerable entre encuentros también reduce la cantidad de controladores de misión necesarios, lo que nuevamente reduce los costos.

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Él mi2El equipo T no ha publicado una descripción de sus órbitas planificadas alrededor de Saturno para explorar Encelado y Titán. Sin embargo, la propuesta JET similar habría utilizado órbitas para encontrar a Titán en múltiples ubicaciones para permitir la obtención de imágenes de diferentes hemisferios. Una serie de órbitas habría proporcionado vuelos a través de las columnas de Encelado. Crédito: JPL/Caltech

El e2El equipo T propone utilizar un lanzamiento compartido a una órbita de transferencia geoestacionaria con otra nave espacial, como un satélite de comunicaciones. Dividir el costo de lanzamiento salvaría la E2T hasta 60 millones de euros, o lo suficiente para pagar gran parte del costo de las operaciones de la misión en el camino a Saturno. Esta estrategia se habilita mediante el uso de propulsión eléctrica solar, que permite que la nave espacial salga de la órbita terrestre y llegue a Saturno en solo seis años.
(La misión JET habría requerido de 7 a 8,5 años y ELF ~10 años para llegar al mundo anillado). Una vez en Saturno, la nave espacial usaría propulsión química para entrar en órbita y establecer sus encuentros.

Más ahorros de costos provendrían del uso de energía solar para generar energía eléctrica en lugar de los generadores de radioisótopos alimentados con plutonio, que son más costosos.
(Aunque parte de la razón de esta elección es que la ESA carece de tecnología para generadores de radioisótopos y la ley estadounidense prohíbe que la NASA suministre uno para una nave espacial extranjera). Mediante el uso de paneles solares masivos de 160 metros cuadrados (en comparación con los 70 metros cuadrados de la nave espacial Juno), la nave espacial puede generar unos cómodos 620 vatios de potencia en Saturno. Si bien una parte de esta energía deberá ir a los calentadores para mantener calientes la nave espacial y sus instrumentos (alrededor de la mitad de la energía de Juno está reservada para esto), el E2La misión T tendría amplios márgenes de potencia.

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Él mi2La nave espacial T usaría paneles solares masivos para recolectar suficiente luz solar en Saturno para producir energía eléctrica. Crédito: Guiseppe Mitri y el equipo Explorador de Encelado y Titán

Son estos grandes paneles solares los que permiten a la nave espacial devolver los datos del mapeo de la superficie de Titán. La misión ELF, en comparación, habría tenido paneles solares más pequeños y no habría tenido el poder de devolver datos de imágenes. (La misión JET habría utilizado generadores de radioisótopos, que habrían proporcionado suficiente energía y calor adicional para permitir el mapeo de Titán).

El e2La propuesta T también tiene otra ventaja sobre sus predecesores. Si la misión es seleccionada por la ESA, el equipo tendría casi cinco años para perfeccionar el diseño antes de que comience la implementación real.
Este es más tiempo para ajustar los ahorros de costos y aprovechar los avances en la tecnología de las naves espaciales que tienen el potencial de reducir los costos. Las misiones Discovery de la NASA, por el contrario, deben estar listas para comenzar a implementarse inmediatamente después de su selección. Como resultado, los equipos proponentes deben haber resuelto todos los problemas clave de diseño en el momento de la propuesta.

Sin embargo, la señal más alentadora para mí sobre la E2El concepto T es que la comunidad de científicos interesados ​​en explorar Titán y Encelado continúe presentando propuestas similares, aunque más refinadas. Prepararse para estas competencias misioneras lleva mucho tiempo y es costoso. Si las matemáticas del presupuesto no estuvieran cerca, no creo que siguieran regresando. Otro dato a considerar es que en el programa Discovery de la NASA, los equipos suelen proponer misiones varias veces, incorporando las lecciones aprendidas cada vez que se pasan por alto sus propuestas. El e2El equipo T se basa en la experiencia de dos propuestas anteriores.

Si la E2Se pasa por alto la propuesta T, el programa Discovery puede contener otra lección.
El equipo detrás de la misión OSIRIS-REx en su camino para hacer un retorno de muestra del asteroide Bennu propuso dos veces sin éxito sus ideas al programa Discovery. Sus esfuerzos finalmente tuvieron éxito cuando le propusieron a la NASA programa New Frontiers, que en ese momento permitía costos de PI de alrededor de $ 800 millones. La NASA ha comenzado la competencia para su cuarta misión New Frontiers, y se solicitan propuestas para misiones a Titán y Encelado (junto con propuestas para misiones a otros cinco destinos del sistema solar). Espero que al menos una misión similar a E2Se propondrá T, quizás con más instrumentos. (También podemos ver equipos que utilizan los fondos adicionales disponibles para proponer un retorno de muestra de las columnas de Encelado o un módulo de aterrizaje de Titán. En el momento de la propuesta JET, también se propuso un módulo de aterrizaje Titan Lake para el programa Discovery, pero no se seleccionó).

La ESA anunciará la lista de finalistas de su competencia este junio, la NASA anunciará su lista en noviembre. Si se selecciona, una misión de la ESA a Titán y Encelado se lanzaría alrededor de 2030, mientras que una misión de la NASA se lanzaría alrededor de 2025. Estas dos competencias probablemente representan la mejor esperanza para los fanáticos de estos dos mundos de ver una nave espacial llegar a Saturno a mediados de la década de 2030.

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