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

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?

Referencias:

  • https://www.swri.org/press-release/swri-pluto-orbiter-kuiper-belt-charon-gravity-assist
  • https://arxiv.org/pdf/1810.07811.pdf
  • https://www.aiaa.org/1st-Place-Univ-Kansas/


68 Comentarios

  1. Increible! Más que una entrada, esto fue un tour de force acerca del status de las propuestas y proyectos de sondas para visitar KBOs.
    Aunque en mi caso me queda una espinita… Visitar Urano o Neptuno con sondas repletas de instrumentos y limitarnos a un sobrevuelo? Yo creo que tiraría el ancla y me quedaría ahí.
    La complejidad de estos gigantes, su meteorología, sus decenas de satélites… vamos, sería una locura seguir de largo!

    1. Siento discrepar, amigo, pero en el caso de la sonda PROSERPINE el nombre es un acierto total. Además de explicar muy bien en qué consiste la misión (“Pluto Research Orbiter Studying Experimental Rocket Propulsion for Improving trans-Neptunian Exploration”), se refiere a la diosa Proserpina, hija de Ceres y Júpiter y casada con el mismísimo Plutón, con el que vive semestralmente en el Inframundo, oséase el Cinturón de Kuiper.

      1. No discrepo el nombre, si no el procedimiento de justificacion del nombre. Porque no simplemente le colocan el nombre en vez de “justificarlo” con un acrónimo . Imaginen que a as sondas Galileo o Cassini o al telescopio Hubble les tuvieran que justificar sus nombres con acrónimo.

  2. Esto es pensar a largo plazo!

    Pero me vienen dos ideas, (1) el kilopower es una idea maravillosa y si es megapower mucho mejor, (2) alguien tiene que engañar a la fisica, no es tolerable esos tiempos tan altos; empecemos por el primero ya, pero sin olvidar el segundo.

    Muchas gracias Daniel.

  3. Cuando miras las fechas de lanzamiento y llegada al objetivo, además entiendo que son muy optimistas, se cae el alma al suelo, ¿2048?.
    Ya me habéis amargado el día 😢
    Voy a ver el partido 😂
    Saludos

    1. Personalmente no creo que en ‘solo’ 12 años se pueda tener listo una misión con rover y orbitador cuando ni está en los proyectos favoritos de cara el futuro y ni hay powerpoints. 2031 me parece muy ‘pronto’. Además de que antepongo Neptuno y Urano a las prioridades. Pero vamos … que es una opinión de alguien que no tiene ni pajolera idea.

  4. Muy buena entrada pero.. Esta nave tiene el problema de usar reator nuclear por lo que nunca saldrá adelante por culpa de los político demagogos y los que ecologista radicales sino recuerden el escándalo que montaron por la sonda cassini 😞

    1. Un reactor en el lanzamiento es mucho más seguro que los RTGs de Plutonio. Y RTGs ya se lanzaron más despues de la Cassini sin que hubiera mayor problema (New Horizons, Curiosity..)

    2. La energía nuclear tiene sus funciones en la exploración espacial y no es una opción cuando se emplea, que yo sepa. En la tierra el uso de la energía nuclear se ha de hacer pensando en el futuro y anteponiendo las energías renovables siempre que sea posible. No creo que los políticos tengan voto en estas cuestiones de exploración espacial. Si no se puede de otra manera, no se puede. Otra cosa es que debido a que no hay reactores nucleares suficientes no exista combustible suficiente para las sondas. Pero Trump ya se ha encargado de darle solución.

  5. Cada vez que leo algo relacionado con electricidad procedente de reacciones nucleares recuerdo que hace mucho tiempo creía que esa reacción liberaba electrones que eran los que mediante cables se llevaban a los hogares. Qué “sencillo” sería una pila hecha con cilindros de uranio, plutonio o lo que hiciera falta.

  6. Explorar el sistema solar exterior es terriblemente caro (por complejo y prolongado en el tiempo) con el nivel de tecnología actual. Lo más sabio sería invertir el dinero en desarrollar tecnologías de propulsión y generación de energía y, una vez alcanzado un cierto grado de madurez, lanzarse a ello con un enfoque nuevo.

  7. Por cierto, no entiendo como se puede conseguir asistencia gravitatoria de una luna que está gravitatoriamente anclada a su planeta. Al fin y al cabo , hasta donde yo sé, la asistencia supone un intercambio de velocidad de giro del planeta (infinitesimal, dada la diferencia de masa) con la velocidad de avance de la sonda ¿Con esta asistencia no dejaría de presentar (aunque sea desplazándose infinitesimalmente) Caronte siempre la misma cara a Plutón? No sé si me explico…

    1. La asistencia gravitatoria restaría velocidad de traslación a la luna, no de rotación. ¡Pero Caronte pesa 10^21 kg y la nave 10^3! Tras un millón de años Caronte estará 17 cm más atrás en su órbita. (en realidad no, cambiaría la excentricidad de la órbita, pero vamos, es por mostrar el orden de magnitud del que hablamos)

  8. Lo que esta claro es que a partir de 2030 se abre un mare incognitum sobre que debemos hacer en exploración espacial…las propuestas cada vez son más complejas en tiempo y tecnología, y los retos más difíciles si queremos seguir ampliando nuestro conocimiento sobre nuestro sistema solar…

    Nos quedan años de explorar nuevas tecnologías, como el kilopower, los motores iónicos X3, velas solares y magnéticas, etc…sin todo esto aventurarse a nuevas propuestas es quedarse cojos en los planteamientos…

    No sé que veremos en el futuro, pero necesitaremos evolucionar varias tecnologías claves si queremos avanzar hacia lugares remotos, donde lo que hasta ahora ha funcionado ya no nos vale…

    1. Sobre todo tiempo. En el post sobre el final de Cassini Daniel comentaba que explorar el Sistema Solar se ha convertido en un esfuerzo multigeneracional y a este paso tiene toda la razon, y mas con misiones de este tipo en las que quienes las diseñan y las construyen no las van a ver llegando a sus objetivos y mucho menos terminando sus misiones.

      Mucho van a tener que cambiar las cosas y no solo en lo tecnologico.

  9. Lo que creo que se puede hacer (como se hizo con exomars 2016 pero sin crear otro cráter) es llevar a Plutón: un orbiter y un lander (que incluya algún rover robotizado de muy poca masa pero con mucha inteligencia artificial). Tal vez el lander podría aterrizar con máximo aerofrenado gracias a la atmósfera de Plutón (que tampoco tiene tanto pozo gravitacional: sólo 1.24km/s) y, al mismo tiempo, que el orbitador se viese frenado en su flyby por Plutón y saliese para Charonte y allí en Charonte de nuevo más frenado gravitacional, etc. Una vez que el robot analice la superficie y retransmita los datos a su orbiter (y de éste a los tres puntos de recepción del espacio profundo en la Tierra) sería momento de acelerar de nuevo el orbitador (su velocidad de escape creo que debe ser algo superior a 2.7km/s) y dirigirse a los cuerpos más asequibles del cinturón de Kuiper pero en plan: impulso_iónico + flyby + asistencia_gravitacional, porque no creo que quede combustible para orbitar Haumea, Makemake, Eris u otros cuerpos del cinturón (además, creo que a lo sumo se podán pasar por dos cuerpos, no creo que muchos más se alineen para ser visitados en plan verlos y pasar de largo).
    De todas formas, a mi Plutón sigue sin atraerme. Es mucho más interesante enviar una sonda, tipo orbitador + lander, a Encélado. Y la tecnología a probar ha de ser similar que para ir a Plutón.

    1. La idea de usar la atmósfera de Plutón como método para aterrizar es buenano y la comentó Daniel en su día. El problema es que más pronto que tarde esa atmósfera se congelará conforme Plutón se aleja del Sol. Saludos.

  10. La prioridad son dos orbitadores a Urano y Neptuno (con una luna capturada proveniente de esa región de Kuiper),
    y después de ellos,
    sí al Cinturón de Kuiper y a Venus.

  11. A ver si Bezos lo lee y se decide a llevarlo a cabo, que en la NASA no tengo muchas esperanzas y Musk ya tiene bastante con Marte. Por cierto, ¿la propulsión nuclear térmica no tendría más rendimiento que la eléctrica? (no hay que hacer una conversión de energía y no necesita radiadores).

      1. No todo es Isp, también cuenta la relación masa/empuje. De nada sirve tener un Isp alto si tienes que cargar con toneladas y toneladas de radiadores y reactor. Y, si desperdicias energía en conversiones, a la fuerza el reactor tendrá que ser más pesado.

        1. En ese sentido (thrust/weight ratio) todas las comparativas que he visto concuerdan en que la Nuclear Thermal Propulsion (NTP) vence por goleada a la Nuclear Electric Propulsion (NEP).

          Pero la propulsión química (H2/O2) también, al tal punto que las comparativas discrepan acerca de si la NTP, que en teoría no hay duda es más eficiente que la química, efectivamente lo es en la práctica.

          Por ejemplo, aquí van 2 papers de 2015 que concuerdan en lo primero y discrepan en lo segundo:
          http://large.stanford.edu/courses/2018/ph241/asperger1/docs/malagari.pdf
          https://arxiv.org/pdf/1502.06457.pdf

          Saludos.

  12. “Hasta 45 objetos del cinturón de Kuiper susceptibles de ser visitados por una sonda” Yeeeeeha!
    No sé si podré esperar 30 añazos. Media vida. Sinceramente, no creo que lo vea, aunque quién sabe… quizás para entonces hayamos descubierto la fusión fría o desarrollado alguna otra tecnología que nos permita acortar tiempos jejejjejeje. ;-P

  13. Demasiado esfuerzo para objetos tan lejanos, me parece a mi.
    Alan Stern lo que tiene que hacer es reciclarse a sí mismo y buscar objetivos más cercanos.

  14. Un artículo muy interesante, como es habitual en este blog.

    Hay tanto que explorar en el sistema solar que lo difícil es escoger. Pienso que mientras no tengamos medios más eficaces para explorar lo más lejano debemos insistir en lo más cercano, y probar de cerca nuevos sistemas de propulsión, antes de invertir prematuramente mucho tiempo y dinero en misiones lentas que seguramente se abaratarán y acortarán mucho con las tecnologías que se están desarrollando.

    Una muestra de lo mucho que desconocemos del espacio cercano: Parece haberse demostrado que la Tierra tiene, en los puntos de Lagrange 4 y 5 del sistema Tierra/Luna, dos nubes de polvo, a modo de satélites, casi imposibles de detectar:
    https://m.europapress.es/ciencia/astronomia/noticia-confirmado-tierra-tiene-satelites-dos-nubes-polvo-20181026145806.html

    Me pregunto cuantas nubes de materia dispersa, indetectables actualmente, habrá en todo el sistema solar, y cómo de grandes y masivas pueden ser las que haya más allá de Neptuno.

    ¿Habrá alguna nube tan masiva como el hipotético planeta 9?

    ¿Se podría usar como proplente la materia de estas nubes satélite recién descubiertas?

  15. Antes de llegar a final del articulo ya calculé mi edad para el año estimado de arribo… 59… uf… pensé que sería algo así como 102… soy realmente malo en cálculos mentales… Esperemos que para esas fechas los sistemas gigantes de lanzamiento puedan acortar un poco la espera, a ver si la familia de Musk da sorpresas (o la descendencia de Daniel!!) Jajá

  16. excelente por tu blog Daniel… es el mejor de habla española en temas espaciales… te dejo un link donde afirman que Roscosmos, Almaz-Antey, RTI Sistema y la Corporacion Tactica de Misiles se fusionaran en un solo holding, así como también, un sistema de refrigeración por gotas para reactores nucleares espaciales muy internaste e ingeniosos…!

    https://wowavostok.livejournal.com/9632238.html

    Saludos…!

    1. La noticia, de hace ya 1 mes, fue comentada 2 veces en Coffee Break :

      Episodio 183 (5 de octubre de 2018)
      vivaldi.ll.iac.es/proyecto/coffeebreak/?p=1565
      a partir del instante 2:37:10

      La conexión de Francis (videoconferencia) se interrumpe justo en la mejor parte de su explicación. El asunto queda pendiente y se retoma en el siguiente episodio.

      Episodio 184 (11 de octubre de 2018)
      vivaldi.ll.iac.es/proyecto/coffeebreak/?p=1578
      a partir del instante 0:30:00

      Lo que Francis no pudo terminar de explicar en el Episodio 183 es esto:
      francis.naukas.com/2011/11/10/la-solucion-del-caso-lemaitre-vs-hubble-se-publica-en-nature/
      Esa noticia de hace 7 años es el detonante de la actual decisión de la Unión Astronómica Internacional.

      Saludos.

        1. Ha lugar. ¡TOC! 🙂

          Es que para mí eran dos noticias por el precio de una, jeje. No hacía la distinción porque desde la primera noticia muy pocas dudas tenía yo de que la votación iba a ser favorable, el reconocimiento a Lemaître es totalmente justo y merecido.

          Saludos.

          1. 🙂 dice Pelau: “…el reconocimiento a Lemaître es totalmente justo y merecido…”
            Yo opino lo mismo, pero se ve que no todo el mundo. Mira este artículo con el título ya un tanto peyorativo con Lemaître:
            “Apártate, Hubble: el descubrimiento de la expansión del cosmos asignado a un astrónomo-sacerdote belga poco conocido”
            http://www.sciencemag.org/news/2018/10/move-over-hubble-discovery-expanding-cosmos-assigned-little-known-belgian-astronomer
            Saludos.

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 28 octubre, 2018
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Astronomía • NASA • Plutón • Sistema Solar