La próxima gran misión de la NASA: las sondas para estudiar Urano y Neptuno

Por Daniel Marín, el 19 junio, 2017. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía • NASA • Sistema Solar ✎ 97

El Congreso de los EE UU ordenó hace dos años a la NASA que comenzara a preparar una misión a Urano y Neptuno a partir de 2030. Los dos gigantes de hielo y sus respectivos sistemas de lunas son los grandes desconocidos del sistema solar y solo han sido visitados una vez por artefactos humanos en 1986 y 1989 respectivamente (en ambos casos por la Voyager 2). Tras dos años de estudios la NASA ha publicado recientemente el informe final sobre las características óptimas que debe reunir una misión de tipo Flagship para explorar Urano y Neptuno.

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Las cuatro opciones principales para el estudio de Urano y Neptuno. De izqda. a dcha.: orbitador de Neptuno con sonda atmosférica y etapa SEP, sonda de sobrevuelo de Urano con sonda atmosférica, orbitador de Urano con sonda atmosférica y orbitador de Urano sin sonda atmosférica (NASA).

Los resultados no difieren mucho de los informes provisionales que ya hemos comentado por este blog (aquí y aquí, por ejemplo), pero ahora hay disponibles muchos más detalles. Recordemos que el informe es meramente orientativo y, por lo tanto, la NASA todavía no ha elegido ninguna arquitectura específica. Eso es una decisión política y por el momento la agencia espacial se limita a presentar las cuatro mejores opciones de misión en función del coste y su retorno científico. Por supuesto, el informe es realista y ha sido elaborado teniendo en cuenta las limitaciones existentes en cuanto a presupuesto y tecnologías disponibles.

Modelo —muy— genérico del interior de los planetas gigantes (NASA).
Modelo —muy— genérico del interior de los planetas gigantes (NASA).

El gran dilema de esta misión es sin duda cuál de los dos planetas hay que estudiar. Ambos mundos son fascinantes, al igual que sus satélites. Neptuno tiene mayor actividad interna que Urano y nadie sabe por qué, pero sería interesante averiguar la causa de que Urano y sus lunas tengan la elevada inclinación del eje de rotación que presentan actualmente (recordemos que Urano gira ‘tumbado’). Por otro lado el mayor satélite de Neptuno, Tritón, es un mundo apasionante por méritos propios. Tritón es un primo de Plutón, un objeto del cinturón de Kuiper capturado que podría arrojar luz sobre la turbulenta formación del sistema solar. Y sin embargo el conjunto de lunas de Urano es el peor conocido de todos. Los sistemas de anillos de los dos mundos, estrechos, oscuros y densos, son parecidos entre sí y radicalmente diferentes de los de Saturno. ¿Por qué? No estamos seguros. En definitiva, tanto Urano como Neptuno son iguales desde el punto de vista del interés científico que suscitan.

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Características de los satélites de Urano y Neptuno en función de su composición y su energía interna (NASA).

Pero hay un hecho objetivo, que no es otro que la mecánica orbital. Urano está más cerca del Sol y esto implica que siempre será más sencillo y rápido alcanzar este planeta que Neptuno. Esto explica que de las cuatro sondas que propone el informe, tres sean para el estudio de Urano. En concreto, las cuatro opciones finalmente elegidas son:

  • Sonda de sobrevuelo de Urano con una carga de 50 kg de instrumentos científicos y una sonda atmosférica. Ventajas: es la opción más barata, puesto que saldría por unos 1500 millones de dólares. Desventajas: el retorno científico sería mínimo.
Sonda de sobrevuelo de Urano (NASA).
Sonda de sobrevuelo de Urano (NASA).
  • Orbitador de Urano con 50 kg de instrumentos científicos y con sonda atmosférica. Ventajas: segunda opción más barata (entre 1700 y 2000 millones) y alto retorno científico.
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Orbitador de Urano con sonda atmosférica (NASA).
  • Orbitador de Urano con 150 kg de instrumentos científicos sin sonda atmosférica. Ventajas: gran retorno científico gracias a su elevada carga de instrumentos. Desventajas: cuesta casi lo mismo que una sonda a Neptuno (entre 2000 y 2300 millones) y no aportaría información directa sobre la atmósfera de Urano al carecer de sonda. Además usaría cinco RTGs en vez de cuatro como el resto de propuestas.
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Orbitador de Urano sin sonda atmosférica (NASA).
Detalle del orbitador de Urano sin sonda (NASA).
Detalle del orbitador de Urano sin sonda (NASA).
  • Orbitador de Neptuno con 50 kg de instrumentos y una sonda atmosférica. Ventajas: es la única opción viable —económicamente— para estudiar Neptuno. Desventajas: es la sonda más cara y, sobre todo, compleja, ya que requeriría de una etapa adicional de propulsión iónica (SEP).
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Orbitador de Neptuno con la etapa SEP (NASA).
Orbitador de Neptuno (NASA).
Orbitador de Neptuno (NASA).

Como vemos las cuatro propuestas han sido concebidas para que su precio se mantenga entre los 1500 y 2500 millones de dólares, aproximadamente la mitad que la sonda Cassini, un objetivo de coste realista destinado a evitar su cancelación —los sobrecostes son inevitables— y también con el fin de mantener la puerta abierta para una posible, aunque poco probable, misión doble. Es decir, en el hipotético caso de que haya dinero suficiente, se podría mandar dos sondas, una a Urano y otra a Neptuno (también está la oportunidad de contar con la colaboración de la ESA u otras agencias espaciales). Las propuestas usan generadores de radioisótopos de tipo eMMRTG —además de calefactores RHU—, con la excepción del orbitador a Urano sin sonda atmosférica, que emplearía cinco generadores para poder alimentar los instrumentos adicionales. Es de suponer que para 2030 la NASA tenga plutonio 238 suficiente ahora que se ha reanudado su producción.

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Resumen de las cuatro opciones de sondas elegidas por la NASA (NASA).

Del mismo modo, con el fin de limitar el precio las tres misiones más baratas serían lanzadas mediante vectores de tamaño medio, tipo Atlas V 551 o equivalente, como el futuro Vulcan (por el momento el Atlas V es el único vector que permite lanzamientos de sondas con RTGs). La única excepción sería el orbitador a Neptuno, que requeriría un cohete tipo Delta IV Heavy. En caso de un lanzamiento doble se emplearía el SLS de la NASA, aunque esta opción se considera poco viable debido a su alto coste. El tiempo de vuelo de las cuatro propuestas se ha mantenido entre diez y trece años, también para reducir costes, de ahí que la sonda a Neptuno use una etapa de propulsión SEP para acelerar su viaje. Esta etapa se alimentaría mediante paneles solares y se desecharía una vez la nave estuviese entre la órbita de Júpiter y la de Saturno (a unos 900 millones de kilómetros del Sol). Usaría cuatro motores iónicos de tipo NEXT con una tonelada de xenón aproximadamente.

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Trayectoria ejemplo del orbitador a Urano, de tipo VEEJGA (asistencias gravitatorias con la Tierra, Venus y Júpiter).

La trayectoria usada por las propuestas incluiría asistencias gravitatorias de la Tierra, Venus y Júpiter principalmente, aunque se han estudiado ventanas de lanzamiento que permiten sobrevolar Saturno o Marte. La mayoría de opciones despegaría en 2031 y llegaría a Urano en 2043 o a Neptuno en 2044. Una vez en órbita de Urano o Neptuno la misión primaria duraría entre dos y tres años. El diseño elegido para las sondas es bastante conservador y deja a un lado el empleo de tecnologías alternativas como la aerocaptura o sistemas de propulsión exóticos para evitar que se dispare el presupuesto y el tiempo de desarrollo.

El ‘paquete estándar’ de 50 kg de carga científica incluye solo tres instrumentos: una cámara de alta resolución, una cámara Doppler y un magnetómetro, mientras que la opción de 150 kg, que solo está disponible para el orbitador a Urano sin sonda atmosférica, incluiría hasta quince instrumentos (como comparación Cassini lleva 270 kg de instrumentos). Por supuesto, se trata de fijar los dos extremos posibles de todo un rango de posibilidades intermedias (por ejemplo, el informe insinúa que 90 kg de instrumentos sería un buen compromiso). Todas las opciones menos una llevan una cápsula atmosférica. Y no por casualidad, ya que se trata de una prioridad para la comunidad científica. No en vano tenemos una idea muy vaga de cómo es el perfil atmosférico de los gigantes de hielo y solo medidas in situ nos permitirán averiguar la proporción exacta de determinados isótopos que resultan claves para entender la formación y posterior evolución de estos planetas, así como, de forma indirecta, la estructura interior de los mismos, que, a pesar de los esquemas que hayas podido ver, es totalmente desconocida. Por ahora el único elemento del que poseemos datos fiables sobre su abundancia es el carbono.

Detalle de la sonda atmosférica (NASA).
Detalle de la sonda atmosférica (NASA).
Dimensions de la sonda atmosférica (NASA).
Dimensions de la sonda atmosférica (NASA).

Lo malo es que añadir una sonda atmosférica acarrea el incremento de la complejidad de la misión, especialmente por culpa del escudo térmico. Efectivamente, la tecnología empleada en el escudo térmico de la sonda atmosférica de la misión Galileo que estudió Júpiter se ha perdido —sí, como lo oyen— y habría que diseñar el escudo desde cero dentro del marco del programa HEET (Heatshield for Extreme Entry Environment Technology). Eso sí, la sonda atmosférica llevaría cuatro instrumentos básicos: un espectrómetro de masas, una sensor de temperatura, densidad y presión, un nefelómetro y un sensor para medir la proporción de ortohidrógeno y parahidrógeno. La masa de la sonda atmosférica rondaría los 320 kg y tendría un diámetro de 1,2 metros.

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Partes de la sonda atmosférica (NASA).
Otra vista de la sonda atmosférica (NASA).
Otra vista de la sonda atmosférica (NASA).
Posible trayectoria de entrada de la sonda atmosférica en Urano (NASA).
Posible trayectoria de entrada de la sonda atmosférica en Urano antes de la inserción orbital (NASA).
Fases en el descenso de la sonda atmosférica (NASA).
Ejemplo de las fases en el descenso de la sonda atmosférica (NASA).

Con estas propuestas sobre la mesa queda claro que la mejor opción es uno de los dos orbitadores a Urano, bien con sonda atmosférica o sin ella. Mucho tienen que cambiar las cosas para que el orbitador a Neptuno sea aprobado. Igualmente, la sonda de sobrevuelo de Urano, la más barata de las cuatro, presenta un retorno científico mínimo comparado con su coste (solo entre 200 y 500 millones de dólares menos que la siguiente opción, mucho más interesante desde cualquier punto de vista), así que también podemos descartarla. Evidentemente lo ideal sería una misión doble, pero a no ser que se sume alguna otra agencia espacial al proyecto —¿ESA?— este es un escenario poco menos que imposible dado el presupuesto actual de la NASA.

La mayoría de los más de tres mil exoplanetas descubiertos hasta la fecha son mundos similares a Urano y Neptuno. Estudiar estos planetas no solo nos permitirá comprender mejor la formación del sistema solar, sino también la de miles de sistemas planetarios en la Vía Láctea. No cabe duda de que Urano y Neptuno deben ser explorados en detalle. Lástima que tengamos que esperar casi tres décadas para, con suerte, desvelar sus misterios.

Referencias:

  • http://www.lpi.usra.edu/icegiants/


97 Comentarios

  1. Me encanta que está misión comienza a moverse pero temo que si se cancela el SLS el Congreso pierda el interes en este proyecto
    Además para el 2040 voy a tener más de 50años :- P

  2. Una entrada magnífica. : ) Dos cosas:
    1) Me llama la atención que la NASA cumpla con la normativa internacional de escribir un espacio entre el valor y la unidad salvo en el caso de los milímetros y los vatios.
    2) ¿Es normal hacer una asistencia gravitatoria terrestre a 300 km de altura? ¿Cuál ha sido la altura más agresiva durante una asistencia gravitatoria que se ha hecho nunca?

  3. Ahora mismo plantear el uso del Falcon Heavy, que todavía no existe, es bastante arriesgado. Y lo mismo sucede con el SLS.
    Entiendo que con la pasta tan enorme que cuestan las sondas, lo mínimo razonable es colocarlas en un lanzador de probada fiabilidad, aunque salga por un piquillo más. No sea que por ahorrar unos dólares la sonda se volatilice en el aire y la misión se vaya a la mierda.
    El caso del SLS es todavía más crudo, pues además será carísimo, algo que el FH promete no ser.
    Obviamente, si en el futuro el Falcon Heavy prueba ser fiable durante una muestra suficiente de lanzamientos, y se certifica para llevar RTG, pues sería una opción siempre que entre dentro de precio. Pero hoy por hoy es hablar del olor de las nubes y lo mejor en esos casos es ir sobre seguro.

  4. Y sobre que las empresas privadas «se encarguen» de motu propio de la exploración espacial,… eso ya directamente es que no tiene sentido.
    Las empresas, por definición, tiene su razón de ser en hacer negocio. En ganar pasta.
    Y es bastante obvio que lanzar una sonda como las propuestas para hacer ciencia es cualquier cosa menos un negocio. Porque además las cosas que se puedieran descubrir entiendo que no podrían quedar como exclusiva para la empresa en cuestión.

    1. Es eso. Ninguna empresa va a lanzar un telescopio espacial, una misión para estudiar la energía oscura, o una sonda a -digamos- la atmósfera de Saturno. Irá donde haya un beneficio económico y además uno que sea lo más pronto posible no algo que haya que esperar décadas -es decir, misiones a la Luna o asteroides cercanos metálicos en ambos casos para futuras operaciones mineras-.

      Los resultados científicos son parte de las PR, cuando los haya y se decidan compartir (y no se los guarde la empresa para sí) y sean algo más que imágenes bonitas al estilo de las de la cámara de la Juno por mucho valor científico que tengan.

      1. Igual que empresas privadas se dedican a fabricar cohetes y lanzarlos a cambio de dinero de la NASA, se pueden dedicar a fabricar sondas. El tema es que haya competencia entre varias y se esfuercen en abaratar. Pero para eso necesitarian varias sondas al año, no una sonda cada 10 años.

        1. Eso no cuenta porque ya se dio y da con algunas misiones (las Pioneer 10 y 11 fueron construidas por TRW, y estoy seguro de que no han sido las únicas). Lo que me refiero es a una empresa lanzando una misión científica de esos tipos por sí misma, no porque se lo hayan pedido otros -sea NASA o quien fuera-.

    2. Vale, de acuerdo. Pero dos matices:

      – El rendimiento publicitario para una gran empresa puede ser muy alto. Y podrían poner nombre…por ejemplo a un pequeño satélite que descubran… ¿Cuánto vale eso en publicidad?

      – Los multimillonarios…. ellos son los que pueden gastar el dinero en sus sueños (para qué lo quieren, si no?) Amancio, de los 67.000 millones, ¿porque no gastas 20.000 en hacer algo verdaderamente grande, eh tío?

      Las misiones son tan costosas que ninguno de esos dos factores por separados parece viable. Pero juntos…algunos multimillonarios y empresas que se junten…

    3. Vade retro!

      Es ‘Motu proprio’, con 2 ‘r’.

      Es un error típico entre castellanohablantes…

      Ah!, las empresas privadas BAJAN el coste de los lanzamientos para que organizaciones como la ESA y la otra (la Nasa) puedan concentrarse en la ciencia y la exploración, en vez de dilapidar nuestros impuestos en SLS y otros agujeros negros presupuestarios.
      A ver si os enteráis…

  5. Enlazando, más o menos, un poco el tema: ¿Habrá una bitácora de «The Grand Finale»? Cuando vaya por la mitad, por ejemplo.
    Por favor y gracias.

  6. Creo que la exploracion espacial debe abrirse al crowfunding, yo pondria 10 euros encantado para cada una de estas misiones, y sinceramente creo que hay mas de 200 millones de personas en el mundo que harian lo mismo.

    Las empresas publicas van a buscar el rendimiento politico, las empresas privadas el rendimiento economico, la unica opcion es que la ciencia se subvencione con dinero de la gente cuyo unico objetivo es conocer.

    1. Pues yo dudo mucho muchísimo que a través de crowfunding puedas siquiera acercarte a los 2000 millones de dólares que cuesta una misión de estas. Te quedarías dos o tres órdenes de magnitud por debajo.
      Y más, en un tema tan (mal que nos pese) minoritario como es la exploración espacial.

    2. Pues mi aportación está esperando a que ésto se de. En todo el mundo, ya te digo si se reuniría el dinero… Habemos decenas de millones de espaciotranstornados, jajajaja

  7. Pues yo si gobernara, volveria a la Luna, pondria base permanente en la Luna para cientificos, ingenieros y turistas, observatorio lunar y radiotelescopio, rampa de lanzamiento para mandar sondas planetarias tipo orbitador a todos los satelites y planetas del s. Solar, a dos por año, viajes a la luna tripulados mensuales, mineria espacial, etc. Una vez consolidemos todo eso, vamos a Marte, y asi sucesivamente. Mas nos vale consolidar todo eso antes de que alguna o varias de estas 4 cosas pase antes: 1) cometa o asteroide kilometrico impacte contra La Tierra 2) cambio climatico se agravara sustancialmente mas alla de los actuales modelos 3) guerra mundial entre potencias o entre civilizaciones a gran escala con uso de armas nucleares 4) Pandemia virulenta. En realidad hay mas, pero con estas 4 me vale. El problema de ir a otro planeta o satelite y colonizarlo y que.nadie dice, es que esos que se fueran apenas que tuvieran masa critica y total autosuficiencia se van a independizar de La Tierra si o si, es mas, habria hasta que pedirles permiso para atravedar su espacio aéreo o espacial. Se.convertirian en una potencia espacial por.encima de USA o China o cualquier otro. La exploracion espacial la dominarian ellos, habria guerras en el sistema solar, etc. Yo creo que por eso no lo hacen…

  8. Lo ideal seria una misión doble a ambos planetas helados, pero si solo se puede una, la mayoría de comentarios aquí se inclinan q que sea al planeta Urano aunque Neptuno sea un objetivo mas atractivo.

  9. La exploración espacial profunda necesita casi en forma excluyente los RTG ¿porque EEUU dejó de fabricarlos? ¿Eran épocas de buenas relaciones con Rusia?

    1. EEUU había parado la producción de Plutonio-238 por 25 años. Estados Unidos dejó de producir Plutonio-238 (Pu-238) en grandes cantidades en 1988, y desde 1993, todo el Pu-238 utilizado en las naves espaciales estadounidenses ha sido comprado a Rusia. En total, 16,5 kilogramos han sido adquiridos, pero Rusia a estas alturas ya no está produciendo plutonio-238 y al parecer su propio suministro se está agotando.
      En 2009, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) solicitó financiación para reiniciar la producción en el país. En 2013, se acordó que la NASA proporcionaría toda la financiación para la producción de Pu-238. A partir de 2014 entoncesse produciria entre 1,5 kg y 2,0 kg al año para apoyar las misiones científicas robóticas de la NASA, aunque si las futuras misiones humanas requieren de plutonio-238 se tendría que producir mucho más. En el año 2030 se tendrá Pu-238 de sobra, tanto que se tendrá que parar nuevamente su producción. Así que habrá Pu-238 para todos los RTG que se quieran.
      Para terminar decir que solo existen tres instalaciones en el mundo capaces de producir Pu-238, dos están en los EEUU, y una en Rusia, la de Rusia como ya dije parece no estar produciendo nada en estosmomentos. ¡Pero! tal parece que China ya esta produciendo su propio Pu-238.

    2. Prácticamente la única aplicación del Pu-238 es como fuente de calor en Generadores Termoeléctricos de Radioisótopos o RTG’s y Calefactores de Radioisotopos, de resto no tiene aplicaciones militares, ni sirve para armar bombas nucleares.
      El Pu-238 es el mejor isotopo para los RTG’s, pues solo tiene emisiones tipo alpha, o sea que se puede contener con blindaje ligero sin riesgo de contaminación si por ejemplo se cae el cohete, se estalla o por manipulación del ser humano, y tiene una vida media de 88 años antes de desintegrarse, lo cual es adecuado para misiones espaciales de larga duración.
      Asegurar el suministro de Pu-238 no es el problema, ese no sera problema, se tendrán reservas de sobra, el problema no es que haya o no suministro de Pu-238 para los RTG’s, sino que si no hay presupuesto para enviar misiones al espacio da igual. Que yo sepa para la década de los 2020’s la Nasa requiere RTG’s solo para dos misiones: el Rover marciano 2020 y Europa Clippler, no hay mas.
      ¿en donde mas se podría instalar RTG’s?, si hubiera en la próxima década misiones tripuladas, o no se algún modulo en la ISS que requiera RTG’s aunque no creo la ISS utilice RTG’s que yo sepa, o en alguna otra misión por aprobar. No se seria venderle RTG’s a Europa.

  10. Respecto al tema de las sondas:

    2 sondas con 2 orbitadores, uno para Urano y el otro para Neptuno.
    El precio me da igual, ¿o acaso la Nasa me va a preguntar a mí cuál es mi opinión? Pues para qué cortarse?…

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