Tritón Hopper: una sonda nuclear para explorar la mayor luna de Neptuno mediante saltos

¿Podríamos explorar los mundos helados del sistema solar con una sonda que dé saltos por la superficie usando un generador de radioisótopos (RTG)? Hace cuatro años conocimos una interesante propuesta de misión elegida por el grupo de conceptos avanzados e innovadores (NIAC) de la NASA. El concepto era muy sugerente: usar el calor generado por un RTG para calentar el hielo de la superficie y crear un chorro de gas que permita a la sonda despegar para realizar trayectorias suborbitales. Lo interesante de esta variante de propulsión nuclear es que, a diferencia de los motores nucleares térmicos tradicionales, se usaría un RTG en vez de un reactor nuclear. Los RTG son una tecnología muy segura que ha demostrado su fiabilidad en las últimas décadas. Además, se podría emplear el hielo de la superficie como propelente, lo que permitiría ahorrar una masa considerable en el vehículo.

Triton Hopper (NASA).

Los creadores de la propuesta eligieron Tritón, la mayor luna de Neptuno, como objetivo de esta sonda. La razón es que este mundo tiene una superficie casi totalmente cubierta por hielo de nitrógeno. Se trata de una sustancia que pasa a estado gaseoso a temperaturas muy bajas (del orden de -2o0 ℃), permitiendo que el calor generado por un RTG sea más que suficiente para este fin. Además, Tritón es un objeto del cinturón de Kuiper de gran tamaño capturado y modificado por el campo gravitatorio de Neptuno y se cree que podría tener un océano subterráneo, como Plutón, por lo que también entra en la categoría de mundos océano del sistema solar. Por contra, Plutón solo tiene una parte de su superficie cubierta por hielo de nitrógeno: Sputnik Planitia, que, pese a todo, es el mayor glaciar del sistema solar.

Tritón visto por la Voyager 2 (NASA).

El Triton Hopper, como se ha bautizado al proyecto, recogería nitrógeno gaseoso de la tenue atmósfera de Tritón —cuya densidad es aproximadamente el 3% de la atmósfera marciana— y hielo de nitrógeno de la superficie empleando un brazo robot basado en el de la sonda marciana Phoenix. El nitrógeno en forma gaseosa y sólida se almacena en un tanque esférico central. Llegado el momento, el calor del RTG serviría para sublimar el nitrógeno, calentándolo a 25 ºC, y presurizar el tanque. Posteriormente, el gas saldrá por varios propulsores generando un empuje de 1,2 kN. La sonda sería capaz de sublimar 100 kg de nitrógeno en once días usando 60 vatios de potencia eléctrica.

Elementos del Triton Hopper. El diseño de 2015 usaba un RTG de tipo ASRG, un proyecto cancelado por la NASA (NASA).
Otra vista de Triton Hopper (NASA).

Triton Hopper realizaría saltos de un kilómetro de altura en los que recorrería cinco kilómetros de distancia en horizontal, permitiendo recorrer los 2o00 kilómetros que separan el ecuador del polo norte del satélite en los dos años que duraría la misión (la gravedad de Tritón es la mitad de la de la Luna). El diseño original solo preveía un desplazamiento total de 300 kilómetros, así que estamos ante un incremento de capacidades significativo. La carga científica estaría formada por una cámara, un sismómetro, un espectrómetro infrarrojo y visible, así como un sensor de viento.

Operaciones de superficie de Triton Hopper (NASA).
Trayectoria de Triton Hopper (NASA).
Detalle de Triton Hopper (NASA).
Detalle de los propulsores (NASA).

Triton Hopper aterrizaría en 2041 usando un sistema parecido al sky crane de Curiosity —también propuesto para la sonda Europa Lander— y tendría una masa de 487 kg. El problema de Triton Hopper es que todavía existen muchas incógnitas sobre la superficie de Tritón y el estado del nitrógeno en la superficie del satélite. ¿Está el nitrógeno en estado puro o se halla mezclado con otros hielos (monóxido de carbono o metano), como en Plutón? ¿Pueden las sustancias orgánicas presentes en el hielo afectar a la capacidad propulsiva del vehículo? ¿Cómo afectan los cambios de temperatura a las propiedades mecánicas del hielo de nitrógeno? En cada una de esas preguntas se esconde un escollo potencialmente insalvable para esta misión. Tampoco está claro cómo llegaría la sonda hasta Tritón. ¿Lo haría como carga secundaria de un eventual orbitador de Neptuno? ¿Viajaría en solitario? ¿Realizaría aerocaptura? Los últimos detalles de Triton Hopper los hemos conocido en la 50ª conferencia de ciencia lunar y planetaria (LPSC), celebrada hace unos días. En esta conferencia se han dado a conocer nuevas misiones, de las que hablaremos en otras entradas, y los progresos de propuestas ya conocidas, como es el caso de esta maravillosa propuesta que es Triton Hopper. Ojalá algún día se haga realidad.

Triton Hopper (NASA).

Referencias:

  • https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2019/pdf/1002.pdf


43 Comentarios

  1. Hablando de sondas vienen a cuento los últimos tweets del Evangelio según Musk:

    Primero, acerca del Falcon Heavy B5:

    Yeah, Falcon Heavy Block 5 has way more performance than last year’s vehicle. Lot of room to increase side booster load transfer & max Q without changing any parts. FH Block 5 can launch more payload to any orbit than any vehicle currently flying.”

    Annoying that @ULA perpetuates myth that Delta IV Heavy or Atlas V can do some orbits that Falcon Heavy can’t. This is absolutely false. FH would have to go full expendable for GEO direct, but that’s very rare.

    Y ahora viene lo bueno: sondas al sistema solar exterior con un semi-Starship de carga desechable:

    Massive delta velocity slam from highly elliptical Earth orbit using a fully retanked, but lightened up Starship with no heat shield or fins/legs. Best choice for the impatient. Ion engines are too slow.”

    “Probably no fairing either & just 3 Raptor Vacuum engines. Mass ratio of ~30 (1200 tons full, 40 tons empty) with Isp of 380. Then drop a few dozen modified Starlink satellites from empty engine bays with ~1600 Isp, MR 2. Spread out, see what’s there. Not impossible.

    – De entrada está diciendo que Starship lleva 1160 ton de propelente.

    – Musk sugiere lanzar sondas con un Starship desechable aligerado (40 t) sin cofia, aletas ni protección termal, con sólo 3 Raptors Vacuum y transportando las sondas en los compartimentos de carga posteriores alrededor de los motores.

    – Es muy positivo que Musk considere usar el bus de Starlink para realizar sondas baratas y producidas en masa. El bus dispone de propulsión iónica, control de actitud, paneles solares y comunicaciones por radio y por haz láser.
    Parece que Musk sueña con lo mismo que nosotros: lanzar enjambres de sondas para explorar todo el Sistema Solar.

    – Calculemos el Delta-V del invento.

    Para Starship-3:
    ∆V = 9,8 x 380 x ln(1200/40)
    ∆V = 12,666 km/s
    aunque lo hemos calculado sin carga.
    Añadamos 100 ton de carga (un poco bestia, ya que en la práctica es posible que las sondas no sumen ni 10 ton):
    ∆V = 9,8 x 380 x ln(1300/140)
    ∆V = 8,3 km/s (con 100 t de carga)

    Para las sondas:
    ∆V = 9,8 x 1600 x ln(2)
    ∆V = 10,8 km/s

    Musk dice que Starship es repostado en órbita elíptica alta (HEO) antes de partir hacia su destino. Eso son unos 3,2 km/s extra a partir de LEO (según un comentario de NSF).

    Por tanto, el total de Delta-V a partir de LEO es brutal:
    3,2 km/s (órbita elíptica).
    8,3 km/s Starship-3 con 100 t de carga.
    10,8 km/s para cada sonda.

    ¡Más de 22 km/s de Delta-V!

Deja un comentario

Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 29 marzo, 2019
Categoría(s): ✓ blog