Estudiando Urano

Por Daniel Marín, el 16 marzo, 2011. Categoría(s): Astronáutica • NASA • Sistema Solar • sondasesp ✎ 16

El estudio de Urano y Neptuno es una de las prioridades de la investigación planetaria en el siglo XXI. Tanto que el reciente informe del Decadal Survey ha colocado una sonda a Urano en el tercer puesto de las candidatas para una futura misión de tipo Flagship, por delante de objetivos tan atractivos como Venus o Saturno.


Urano visto por el telescopio Keck (Keck).

¿Y por qué es tan interesante el estudio de estos planetas? Por dos motivos. Primero, porque desconocemos en detalle su estructura interior. Segundo, porque ahora sabemos que este tipo de planetas podrían ser muy abundantes en nuestra Galaxia. Y es que Urano y Neptuno constituyen un tipo de planetas completamente distintos a los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, de ahí que se les suela denominar «gigantes de hielo».

Los gigantes gaseosos están compuestos principalmente por hidrógeno (más del 90% de la masa) y helio, más un «pequeño» -del tamaño de la Tierra- núcleo de roca y hielos. Es decir, presentan una composición muy parecida a la de una enana marrón o una estrella. Bien es cierto que los gigantes gaseosos no son exactamente «gaseosos». Las tremendas presiones y temperaturas de su interior hacen que el hidrógeno esté en estado líquido y metálico. Más bien deberían ser llamados «gigantes líquidos». 


Estructura interior de los planetas del Sistema Solar (NASA).

Por contra, sólo un 20% de la masa de los gigantes de hielo es hidrógeno. El resto está formado por oxígeno, carbono, nitrógeno o azufre, formando compuestos como agua, amoniaco o metano. El menor tamaño de estos planetas impide que el hidrógeno de su interior alcance la fase metálica. En vez de hidrógeno metálico, en los gigantes de hielo se cree que existe una mezcla de fluidos supercríticos, especialmente agua. Por lo tanto, «gigantes de hielo» tampoco es una expresión afortunada. En todo caso, cuestiones semánticas aparte, la estructura y evolución de Urano y Neptuno son todo un misterio.


Estructura interna de Urano y Neptuno (NASA).


Clasificación de planetas según sus propiedades. Urano y Neptuno forman un grupo aparte (NASA).

Para estudiarlos en profundidad, una misión a estos planetas no debería limitarse a sobrevolarlos como hizo en su momento la Voyager 2. Lo ideal sería orbitarlos y analizar su atmósfera con una sonda atmosférica similar a la usada por la misión Galileo en Júpiter. Puesto que Neptuno está increíblemente más alejado, Urano es un objetivo mucho más atractivo. Una misión a Neptuno necesita asistencia gravitatoria con Júpiter y aerocaptura si queremos que la masa de la nave y el tiempo de vuelo quede por debajo de límites razonables.


Urano visto por la Voyager 2 (izquierda) y el Keck (NASA).

Además, Urano presenta una serie de características que lo hacen único en el Sistema Solar. La más importante es su bajo calor interno, hasta diez veces inferior al de Neptuno. La inusual inclinación de su eje de rotación (98º) convierte a este planeta en el único en mundo que gira «tumbado». El eje de su campo magnético está desviado 60º con respecto al de rotación, lo que permite estudiar de primera mano las interacciones entre el campo magnético y la atmósfera de un planeta gigante. Este campo magnético también es un misterio en sí mismo, al generarse en el exterior del núcleo planetario. Otros objetivos secundarios serían, por supuesto, su sistema de satélites y sus 13 anillos.


Calor interno de los planetas del Sistema Solar (NASA).


Inclinación de los ejes de rotación y magnético de Urano y Neptuno (NASA).


El sistema de satélites de Urano (NASA).

Un cohete Atlas V 531 sería incapaz de colocar la sonda en una trayectoria directa. Para minimizar el tiempo de vuelo hasta Urano, la nave -denominada tentativamente como UOP (Uranus Orbiter and Probe) debería realizar un sobrevuelo de la Tierra para aumentar su velocidad, además de emplear una etapa de propulsión iónica (SEP). Pese a estas medidas, UOP tardaría 13 años (!) en llegar a Urano. La SEP estaría alimentada por paneles solares, así que su eficacia disminuiría dramáticamente a partir de los 750 millones de kilómetros (5 UA) de distancia del Sol. La SEP tendría tres motores iónicos NEXT a base de xenón, dos principales y uno de reserva.


Sonda UOP (NASA).


Etapa de propulsión iónica SEP (NASA).



La sonda con la etapa SEP (NASA).



Características de la sonda (NASA).


Trayectoria de la misión (NASA).

La sonda atmosférica de 127 kg y 76 cm de diámetro se separaría 29 días antes de la llegada de la sonda a Urano. Entraría en la atmósfera a la increíble velocidad de 22 km/s, con un ángulo de -68º. Dependiendo del presupuesto, la sonda resistiría hasta una profundidad correspondiente a 1 ó 5 bar de presión. El descenso duraría una hora. Por su parte, el orbitador se situaría en una órbita polar alrededor de Urano.



Sonda atmosférica (NASA).


Trayectoria de entrada (NASA).


Sobrevuelos de los distintos satélites (NASA).

Una vez en órbita, UOP sobrevolaría dos veces los satélites más importantes del sistema (Miranda, Umbriel, Ariel, Titania y Oberón) como parte de su misión primaria de 431 días de duración. UOP tendría una masa en seco de 906 kg, emplearía tres generadores de radioisótopos Stirling (ASRG) y dispondría de una antena de alta ganancia de 2,5 metros de diámetro (la antena de la Cassini es de 4 metros). Su sistema de propulsión principal usaría combustibles hipergólicos, con un presupuesto de Delta-V total de 2,5 km/s.

Si UOP fuese aprobada en los próximos años, cosa prácticamente imposible, sería lanzada en 2020 y no llegaría a Urano hasta 2033 (!!!). Cada vez está más claro que la segunda oleada de exploración del Sistema Solar nos va acostar más de lo esperado. Mucho más.

Referencias:

  • Ice Giants Decadal Study, William B. Hubbard (NASA).


16 Comentarios

  1. No es por nada, pero veo difícil que el congreso de los USA, lleno de fundamentalistas religiosos sin sentido del humor, llegue a aprobar el presupuesto de una misión que incluye un segmento con el peregrino nombre de «Uranus probe». A menos que hagan como en Futurama: cambiarle el nombre al planeta por «Urectum».

    (Perdón, tenía que decirlo.)

  2. 13 años!, y yo que pensé que New Horizons se iba a tardar su tiempo en llegar.
    Es una pena que esta misión tenga nulas probabilidades de materializarse en el futuro cercano, Urano siempre me ha parecido un planeta muy interesante entre otras cosas por la orientación de su eje de rotación y aún hay bastantes cosas que desconocemos de este bello planeta (muchos podrán ver solo una enorme «bola» azul pero a mi me parece muy cautivante).

  3. «Uranus probe» XD Estaría genial ese nombre. La verdad que cuando eres entusiasta de la exploración espacial le dan ganas a uno de vivir 200 años. A ver si para ese entonces hay un viaje tripulado a la Luna ¬¬ Daniel, dices que Urano y Neptuno forman su propio grupo aparte, ¿pero que no se han descubierto muchos exoneptunos?

  4. Gracias por el artículo, Daniel! Pues la verdad, lo que me gustaría saber es en que gasta la NASA su abultado presupuesto si resulta que: Se quedan sin lanzador cuando cancelen el shuttle y del posible HLV aún no hay nada, la exploración humana del espacio en «stand by» (bonito eufemismo para decir que no hay nada…más allá de la ISS claro), y la exploración con sondas roboticas muy reducida y con vistas a 9 años!! Desastroso es decir poco! En fin, lo que sí es cierto es que es la única agencia con programa de exploración del espacio profundo activo. Veremos cuanto dura.

    Como mención, me parece muy curioso que la New Horizons tarde solo 9 años en llegar a Plutón, mentras que esta nueva sonda necesitaría la friolera de 13 años para llegar al penúltimo planeta del Sistema Solar. Estas son las cosas que me fascinan de la navegación espacial y los viajes interplanetarios! (o como que sea mças complicado llegar a Mercurio que a Júpiter o Saturno). Y ya que estoy, la ventana óptima para un lanzamiento a Urano sería en la fecha prevista de 2020? Porque de ser asi, no me cuadra xq N.H. llegaría antes a Plutón…

  5. Muy bueno el post, como todo los del blog.
    Pero tengo una pequeña duda sobre este post.
    Como puede ser k la mision NEW Horizons tarde 9 años en llegar a Pluton k esta considerablemente mas lejos y esta mision tarde 13?
    contando k las dos orbitan la tierra y jupitar para aumentar la velocidad no entiendo la diferencia de tiempo.

  6. Si no me equivoco esta sonda tardaría más que la New Horizons porque su objetivo es orbitar, no un mero sobrevuelo. Si fuera a máxima velocidad, por así decirlo, el gasto de combustible para frenarla y poder ponerla en órbita sería prohibitivo

  7. Sí. New Horizons es una sonda mucho más ligera que fue colocada en trayectoria directa, más un sobrevuelo de Júpiter. UOP tendría que hacer un sobrevuelo de la Tierra y su velocidad no podría ser excesiva para minimizar el gasto de combustible.

    Saludos.

  8. A veces me dan ganas de meterme en una cámara frigorífica y que me despierten dentro de 50 años.

    Por otro lado, parece muuuuy dudoso que aprueben algo así. Al final, quedará reducido a un powerpoint más, está claro. Pero por soñar… Si de mí dependiera, lanzaba esta misión antes que muchas otras.

    Por otro lado, quizás estaría bien realizar estas misiones con varios lanzamientos, para no tener la limitación máxima de la potencia del lanzador, igual que se plantea para las misiones tripuladas a Marte. Sí, sería mucho más caro, pero supongo que el tiempo se reduciría espectacularmente y se podría aumentar la masa para enviar una nave más «completa».

    Lo de la sonda atmosférica es muy atractivo. Me preguntos si sería posible conseguir que se quedase «flotando» y que retransmitiera datos por mucho tiempo, como a veces se ha especulado con los globos para Venus o Titán.

  9. Hola
    Daniel, te quería hacer una pequeña pregunta, si tuvieramos un lanzador con mayor capacidad sería posible aumentar el tamaño de las últimas etapas y conseguir más velocidad al lanzar las sondas desde la tierra ¿no?. Entonces de este modo se podrían disminuir los tiempos de llegada al destino.

    Y ya como última curiosidad, y disculpar si estoy diciendo una grandiosa tontería, ¿si algún día se construye el HLV o algún otro lanzador pesado sería posible utilizarlos para lanzar sondas que llegasen en mucho menos tiempo? (aunque supongo que los costes de lanzamiento serían prohibitivos)

    Saludos,
    Iván.

  10. Un Delta IV-Heavy no sería capaz de colocarla en trayectoria directa sin flyby a la Tierra, de forma más rápida.
    No soy experto, pero en el Solar System Simulator, Jupiter parace estar bien situado para una asistencia a la manera de las Voyager hacia 2020-2022,no. Así podria llegar en menos tiempo.
    saludos

  11. @Monsieur: coincido contigo, pero la NASA ha renunciado a estudiar misiones de múltiples lanzamientos o que usen tecnologías «revolucionarias» (propulsión nuclear, aerocaptura, etc.). De hecho, el uso de una etapa SEP convierten a esta misión en algo tremendamente original para lo que estamos acostumbrados.

    @Iván: por supuesto. La limiatción no es de los lanzadores, sino del presupuesto.

    @Anónimo: el Delta IV Heavy se sale del presupuesto de las misiones Flagship, aunque parezca una contradicción. Un sobrevuelo de Júpiter no es recomendable porque la velocidad de llegada sería demasiada alta y tendríamos que usar mucho combustible. A no ser que usasemos aerocaptura, claro, que creo que ser´ala únic aopción en el futuro.

    Saludos.

  12. Las razones para explorar Urano son muy poderosas, y es evidente que se hará más pronto que tarde. No obstante, por opinión pública y por coste, creo que se les dará prioridad a las misiones a Europa, asteroides, Marte, venus, Luna y puede que a un retorno a Titán. La astrobiología manda.

  13. Interesante artículo

    Siempre que oigo hablar de Urano, me pregunto lo mismo. ¿Por qué la inclinación del eje es de 98º y no de 82º? Supongo que tendrá que ver la rotación del planeta… aunque lo digo con la boca pequeña ya que no soy muy ducho en estos temas 🙂

    Gracias!

  14. Se que llego dos años tarde, pero me llama la atención el hecho de que la composición de los planetas gigantes sea la misma que la de las estrellas (hidrógeno y helio). Podría considerarse a los planetas gaseosos como estrellas «fallidas»? Es decir, que convertirse en un «sol» sería el siguiente escalón de Jupiter, Saturno, Urano y Neptuno en caso de haber seguido acumulando masa?
    Quizás el sol también fué un planeta gaseoso antes de iniciar las reacciones nucleares en su núcleo.

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Por Daniel Marín, publicado el 16 marzo, 2011
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