Una misión de retorno de muestras de Mercurio con velas solares

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?

Referencias:

  • https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070002800.pdf
  • Gareth Hughes et al., Analysis of a Solar Sail Mercury Sample Return Mission, IAC-04-S.2.b.08, 2004.

69 comentarios

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Jofaserimon Jofaserimon

“Así que, ¿cuánto tardaremos en tener entre nosotros muestras del planeta más pequeño del sistema solar?”

Años, muuuuuuuchos años por desgracia v_v!

Lo que me asombra es que sea relativamente fácil llegar hasta la órbita de Venus, pero cueste tantísimo llegar hasta su superficie. Aunque quizás con órbita de Venus sea tan solo eso, y no orbitar al planeta Venus.

U-95 U-95

Ponerse en orbita baja alrededor del Sol (10,000 kilometros vamos a olvidar los problemas obvios), si que tiene de acuerdo con cartas que hay por ahi una delta-v disparatada (440, me parece recordar, mas la necesaria para llegar alli)

Eso dicho, si que es una mision para un futuro remoto si tan siquiera llega y mas sabiendo que Mercurio desde luego esta abajo en la lista de prioridades.

amago amago

Puestos a suponer que no se quema en órbita a 10.000 km del sol, a lo mejor puedes hacer aerofrenado en la atmósfera solar. Jejeje

Rune Rune

A mi también me han olido a chamusquina los números de Venus. Vale que cuentes como órbita una muy alta de captura, vale que Venus tenga un pozo gravitatorio de la categoría del terrestre. Pero 27km/s para aterrizar (la diferencia) me sigue pareciendo una burrada. ¿Seguro que no nos llevamos una cifra de más al sumar? 17 me sonarían mucho mejor (10 desde órbita baja al suelo, 7 para llegar a casi-escape, como aquí en casita).

…a no ser que por “visitar la superficie” Daniel se refiera al viaje de ida y vuelta. En ese caso, la comparación es un poquito engañosa. Aparte de ignorar la atmósfera, claro.

Daniel Marín Daniel Marín

El valor de la Delta-V de Venus se debe a la brutal densidad de su atmósfera. Pero nada obliga a que esa Delta-V en el viaje de ida se obtenga con cohetes en vez de paracaídas y escudos térmicos. Es cierto que es una clasificación un tanto injusta, pero en todo caso ir a la superficie de Venus es más difícil que a la de Mercurio.

Antonio (AKA "Un físico") Antonio (AKA "Un físico")

Rune, para una nave lanzada desde la Tierra, que queramos hacerla ATERRIZAR suavemente en Venus, usaríamos técnicas de aerofrenado o aerocaptura (debido a la densísima atmósfera de Venus) y reduciríamos casi a cero la delta v a aplicarle.
Si fuese una misión de retorno de muestras, AL DESPEGAR desde la superficie de Venus, la delta-v necesaria para llegar a una órbita de captura (OJO, NO A UNA DE TRANSFERENCIA DE VUELTA A LA TIERRA) sería de unos 27 km/s (ó 30); aunque si te haces las matemáticas te sale, en efecto, unos 12 km/s. ¿Qué ocurre?. Pues que esa misma densa atmósfera que te facilita el aterrizaje es la que te jode el viaje de vuelta. Con mis amplísimos conocimientos de aerodinánica te pondría las fórmulas paso a paso; pero como has sido un tipo irrespetuoso conmigo en el pasado, no.

Yavi Yavi

Un poco fuera de tema, pero…¿hay algún proceso, digamos imprimaciones por ejem., que permitiera fabricar velas solares con capacidad fotoeléctrica? Aunque sea de rendimiento 0.01, pero que dé algo de chicha con tanta manta.

Yavi Yavi

Los flexibles son paneles de silicio, finos y flexibles pero paneles al fin y al cabo. Los conocía, además de los que se probaron en la ISS. Me refería a algo que estuviese ya probado y que pudiera aplicarse a una vela solar sin engordarla demasiado.

Angel24Marin Angel24Marin

“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.”

¿Aquí quieres decir JAXA? Ya qué luego comentas lo del H-IIA japonés y puesto que estos son los que más interés han puesto en velas solarese cuadra más.

Txemary Txemary

No, la investigación es de la ESA y la NASA, como pone en el enlace que adjunta al final del artículo. JAXA lo ha hecho por su cuenta, son cosas diferentes

Rafa 2 Rafa 2

Pensaba que las velas solares eran sólo prototipos y teoría. Porque si no recuerdo mal, uno de los próxmos lanzamientos del Falcon Heavy llevarían un prototipo de vela solar. No conocía el IKAROS.
http://www.planetary.org/explore/pro...ar-sailing/
Se podría crear una vela solar que nos llevara a Próxima Centauri en menos de 50 años de viaje?
No me imagino cómo debe estar la NASA y la ESA con tantos powerpoints pendientes de obtener el visto bueno para su financiación. Tienen todo el conocimiento, pero nadie en el mundo tiene dinero para llevarlo a cabo. Y pueden demorarse décadas hasta su realización. Espero que con la cura del cáncer no pase lo mismo. Que estén pendientes de financiación.Es ver tu objetivo a un paso, y no poder darlo. Debe ser una pesadilla.
La venta de los derechos de la liga de futbol española para televisión cuestan 1.300 millones de €. Con ese dinero se podría financiar esta misión.
Creo que la NASA va a poner publicidad para reducir costes. Ya nos podremos ver pronto cohetes con logotipos de cocacola o nike en vez de las banderas nacionales. O los trajes de los astronautas como los monos de fórmula 1, lleno de marcas.
Daniel, gracias como siempre por todas estas briznas de oxígeno que alimentan la llama del interés por la exploración espacial.

pochimax pochimax

Efectivamente, ocurre lo mismo con la solución a las enfermedades. Todo muy lento y muy poco dinero porque hay mucho que investigar. En todas partes cuecen habas.

Cavaliery Cavaliery

“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 ”
No, la principal pega es el $$$ (o mas bien la falta de este)

Antonio (AKA "Un físico") Antonio (AKA "Un físico")

El póster pone: “the solar sail then descends to a 100 km polar orbit where a 1455 kg Mercury Descent Vehicle (MDV) is separated and descends to the south polar Bach region of the planetary surface”. Si la órbita es polar, ¿por qué el MDV no podría descender sobre los cráteres de hielo negro que hubiera en ambos polos?.
Por otro lado, yo creo que esta tecnología será mucho más viable a finales de este siglo que ahora al principio.

Erick Erick

¿Osea que lo tuyo es joder por aquí verdad por algún tipo de placer?

¿narco cresca ? really…y luego “ecoturismo esoterico” 😉 joder…

¿secret seguro que no andas metido en una secta?

Vaya cacao…

Erick Erick

Vaya eso esta mejor que algunas películas de Sci-fi…buena currada se ha pegado el hombre…si todavía secret nos pusiera estas cosas jejej…

Fernando Generale Fernando Generale

Interesante la conceto pero si el SLS sale bien parado de su primer lanzamiento y tan bien e interesante CZ9 despega se podría lanzar una sonda de similar pero para retorno de muestras de un cometa lo cual sería más interesante que la de un planeta achicharado ?

Fernando Generale Fernando Generale

Interesante la conceto pero si el SLS sale bien parado de su primer lanzamiento y tan bien el imponente CZ9 despega se podría lanzar una sonda de retorno de muestras de un cometa en ves de este planeta achicharado ? (versión mejorada para los puritanos de la ortografía)

SB SB

Siempre me ha parecido audaz la solución de las velas solares. Tiene algo de épico su uso, no sé, parece remontarnos a los tiempos de los primeros exploradores de nuestros océanos y su búsqueda de “terras incognitas”….

Ahora, en los tiempos de la exploración espacial, vuelven a asomar y, es curioso, con la misma problemática que tienen las velas grandes en los barcos actuales. Y es que cuanto más grandes, más difíciles de manejar y trimar de forma correcta.

Apasionante artículo, Daniel. Ojalá tal proyecto sea una realidad….

Hilario Gómez Hilario Gómez

Pero imagínate, SB, el Sistema Solar cruzado de un extremo a otro de grandes “veleros” espaciales con velas de centenares de metros o de varios kilómetros de superficie… Sería una visión majestuosa.

SB SB

Cierto!

Una visión futurista que nos acercaría a la sorpresa y el sobrecogimiento que debían inspirar los antiguos galeones y goletas a los habitantes de lejanas y aisladas islas del Pacífico o, antes, a los habitantes del continente americano.

Domar y encauzar la fuerza del viento ha contribuido a la exploración de nuestro planeta. Quizá el conocimiento y aprovechamiento del viento solar nos ayude a “navegar” por nuestra siguiente frontera: el Sistema Solar….

Hablando de este tema viene a colación un capítulo de la serie “Cosmos” de nuestro admirado Carl Sagan. Se titula “Historias de Viajeros”, lo recomiendo vivamente!

Un saludo.

Pedro Pedro

Majestuosa, sin gastar combustible y con capacidad de durar mucho tiempo gracias a que el mecanismo cuenta con pocas piezas móviles. Ideal para remolcadores que hagan transporte entre planetas.

Sí, soñar es gratis.

Erick Erick

También sería bonito que se investigará en las velas eléctricas…quizás naves como ambas tipos de velas sean perfectas para naves del futuro…

U-95 U-95

Hay una novela de ciencia-ficcion en la que se va mucho mas alla aun, y tenemos naves colonia propulsadas por antimateria junto a velas solares. Y quede claro, por si acaso, que es muy hard, al menos una parte de ella.

GM GM

Siempre quedará hacer algo tipo Phobos Grunt con la Mercury-P, planeada para la década de 2030; añadiéndole al aterrizador la capacidad de retornar muestras a la órbita (como ya se hizo con el programa Luna en los años 60 y 70, y se planea hacer para la nueva generación del programa para la década de 2020). Añadiendo un orbitador en una “transfer truss” como con el orbitador chino Yinghuo-1; pero basado en la vela solar Kosmos-1 de 2005 y la IKAROS de 2010.

Vela solar tipo Kosmos-1 de 2005-IKAROS de 2010: 100 kg-315 kg
Mercury-P para la década de 2030: 8.120 kg
Capacidad del Soyuz 2-1b (el cual lanzaría la Mercury-P en cualquier caso): 8.200 kg

Un Soyuz 2-1b desde Kourou (y quizás, tras un aligerado de la instrumentación de la sonda), para compensar la ligera sobrecarga y favorecer el apoyo y financiación internacional (tan necesario para la Mercury-P de Lavochkin): podría poner la carga en órbita, utilizar una etapa MDU para llegar a Mercurio, desplegar la vela, desplegar el aterrizador, tomar las muestras, desplegar las muestras en la órbita, que la vela se acople a las muestras (tras haber estado de maniobras todo el tiempo del despliegue del aterrizador para el acoplamiento) y finalmente retornar las muestras de mercurio a la inversa de IKAROS.

Para la vela solar-orbitador podrían colaborar la JAXA (por su experiencia con la IKAROS) y Roscosmos (con su experiencia en la Kosmos-1), y para el aterrizador; la ESA y Roscosmos (como ya hacen en los programas Exomars y Luna, con los que compartiría componentes la sonda).

Porque ahora mismo no hay ninguna otra misión con previsión de ser mandada a Mercurio y aterrizar en él. Además de servir las Luna 25 (2021), 26 (2022), 27 (2023), 28 (2024) y 29 (2026) y Phobos Grunt 2 (¿2022?) para afinar la tecnología para esta compleja misión.

GM GM

Analizando la Mercury-P, se puede ver el primer elemento a eliminar o donde introducir la vela replegada (tipo Kosmos-1): el orbitador. Aligerando la sonda en gran medida y haciendola apta para el Soyuz-2.

GM GM

Este planteamiento aparte de reducir la vela a tamaños manejables, utilizaría una misión en calendario y ya dotada de motores iónicos en su “módulo de propulsión eléctrica”, de los que Rusia es actualmente el mayor experto en ellos y exportador a Europa y EE.UU.; que reduciría el uso de etapas propulsivas más pesadas. Por tanto, la masa de propelente sería la mínima, a la vez que, la masa de muestras y experimentos se vería maximizada, y la misión se podrá llevar cabo a 22 años vista como mucho.

Grappa Grappa

Soy un lerdo absoluto en temas de ciencia (no es modestia, soy un lerdo de verdad) aunque me encantan estos temas de exploración espacial. En el artículo se señala que para elegir el lugar de aterrizaje la sonda se situaría en una órbita polar baja “Esta órbita baja es necesaria para reducir el gasto de combustible del MAV y, por tanto, reducir la masa total de la sonda.”

Por simple curiosidad, ¿qué relación hay entre ahorrar combustible y reducir la masa de la sonda?

Angel24Marin Angel24Marin

Ahorrando combustible puedes reducir la carga de combustible y el tamaño. Por cada kg que salves de tener que mover te ahorras ± 10 de combustible para moverlo a la órbita.

David David

Una duda que me surge, la Delta-V para ir de la tierra a cualquier cuerpo del sistema solar es la misma que para el camino inverso (dada la misma masa)? Y entre dos cuerpos cualquiera del sistema solar? (yo entiendo que si)

fisivi fisivi

Qué lástima que no se ponga voluntad por parte de quienes pueden en proyectos tan ilusionantes. Si quieren, pueden poner dinero aunque no haya. El dinero sólo es una herramienta virtual para realizar decisiones. No cuesta nada crearlo de la nada, porque no es nada.

Soñando despierto:
Ascender hasta el máximo en la atmósfera con un globo gigante que sirva también de panel solar. Impulsarse luego con motores iónicos y el gas del globo hasta ponerse en órbita. Por fin, usar el globo como vela solar.
Quizá así se solucionaran a la vez el problema de desplegar la vela y el de necesitar un enorme cohete para el lanzamiento.

Jofaserimon Jofaserimon

Para subir lo máximo posible necesitas un gas lo más ligero posible, hidrógeno o helio.

Pero para usarlo en un motor iónico necesitas un gas lo más pesado posible, para aprovechar al máximo su transferencia de movimiento (ahora mismo no recuerdo exactamente su nombre concreto), lo cual entra en conflicto con la primera parte.

pochimax pochimax

No estoy de acuerdo, fisivi.
Para mí, y más en este tipo de proyectos, el dinero es una herramienta de medida del número de horas-trabajador-cualificado necesarias para desarrollar y poner en marcha el proyecto, en base a precios de mercado.
Y para eso necesitas dos cosas:
– un número suficiente de trabajadores cualificados y durante un tiempo determinado como para poder cumplir con la totalidad de las horas calculadas.
– dinero para pagar a precio de mercado a los susodichos trabajadores-cualificados.

fisivi fisivi

Tienes razón, pero también hace falta evaluar los beneficios a largo plazo de un proyecto de exploración. Si el político que toma la decisión valorara estos beneficios, habría proyectos similares a este ya realizados. ¿Cuanto dinero habrán dado los análisis de las rocas lunares traidos por la misión Apolo?

Rafa 2 Rafa 2

No termino de comprender tu comentario sobre las 2 cosas necesarias, en respuesta al comentario de fisivi.
Sin entender de economía, me pondría a crear 100.000 millones de euros para que los ingenieros y científicos nos pudieran llevar a Marte. Acto seguido los precios se incrementarían, supongo. No sé cuanto son 100.000 millones dentro del total.
Es una pena, pero se veía venir. El telescopio de Newton, lo fabricó él mismo (creo, o contó con un cristalero y un herrero). El JWST necesitó cientos de personas, durante una cantidad de horas que sobrepasa las de varias vidas humanas. 817 vidas humanas cobrando a 20 euros la hora(no he puesto impuestos) y viviendo 80 años y trabajando desde que nacen. Tenemos un cuello de botella.
La parte positiva es que tenemos mucha gente con conocimientos científico-ingenieriles suficiente en el mundo como para necesitar ese dinero en proyectos de investigación y desarrollo. Que el conocimiento, esté tan distribuido es una gran buena noticia. Envidia me dan esas personas (envidia esa de desear lo que tiene el otro, pero sin poner de su parte en esforzarse para conseguirlo).

Rafa 2 Rafa 2

Pido disculpas por haber puesto 20 euros la hora de sueldo a los ingenieros en mi elucubración. En cualquier caso, es mucho tiempo.

Fernando Generale Fernando Generale

Una duda como se puede ir hacia dentro del sistema solar con una vela solar si el viento solar se mueve en dirección opuesta es decir desde el sol hacia fuera ?

fisivi fisivi

Alguien lo aclaró en otra entrada de este blog, no recuerdo quien. Entendí que si se orienta la vela para que el impulso sea en el sentido de la órbita, aumenta su velocidad y alcanza una órbita mayor, pero si se orienta al revés, el impulso lo frena y baja a una órbita de menos radio.

GM GM

Es como con los barcos, depende de la técnica de navegación que uses: de empopada (viento a favor), de través (viento de lado) o de ceñida (viento en contra).

Si navegas en ceñida desde Mercurio siguiendo una trayectoria adecuada y con un vehículo adecuado a los vientos, tensiones y radiaciones del trayecto, en teoría, llegarías a donde te propongas. Todo es cuestión de ángulo, aceleración y tamaño del velamen.

Además de tener la opción de realizar las asistencias gravitatorias necesarias con los distintos cuerpos del sistema solar.

Gabriel. Gabriel.

Interesante. Supongo que también podría plantearse la alternativa con propulsión iónica que ya está más comprobada.

Ingalls Ingalls

Bueno, esta misión sería interesante para el “emDrive”(rsión). Y viva la vida alegre y emdrive(rtida).

Rafa 2 Rafa 2

Bueno, yo fui fan esperanzado del emDrive hasta que se demostró (tras muchos años) que no funcionaba. Es una de esas cosas incomprensibles de que puedan tardar tantos años en validar si algo funciona o no en la ciencia. A pesar de que se decía que ‘rompía la 3ª ley de Newton’, pensé que igual se comportaría el movimiento, como en una vela solar (no me pidáis muchas explicaciones sobre lo que desconozco totalmente).

fisivi fisivi

No tiene nada que ver con el EmDrive, en el que se defendía que un objeto se impulsara sin interactuar con el medio por el que se mueve, lo cual es absurdo. Se demostró que la corriente eléctrica de la que se alimentaba interactuaba con campos magnéticos externos (el de la Tierra).
En el caso de la vela solar está demostrado el empuje de la radiación solar al reflejarse en la vela.

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