El próximo objetivo de la NASA: saber cuánto hielo hay en Marte

Por Daniel Marín, el 11 septiembre, 2020. Categoría(s): Astronáutica • Marte • NASA • Sistema Solar ✎ 82

A pesar de que se han enviado numerosas sondas espaciales a Marte, seguimos sin conocer muchas de las claves del planeta rojo. Una de ellas es la cantidad y distribución exacta de los enormes depósitos de hielo subterráneo. La sonda Mars Odyssey descubrió a principios de siglo de forma sorprendente que, con excepción de las regiones ecuatoriales, Marte presenta gigantescos depósitos de hielo de agua y que, además, en muchas zonas se encuentran a pocos centímetros de la superficie, como comprobó directamente la sonda Phoenix. Hoy en día sabemos que Marte perdió al espacio la mayor parte de la atmósfera que tuvo en los comienzos del sistema solar, pero, a cambio, ha logrado retener la mayoría de su hielo. Ahora bien, ¿cuánto hay exactamente? ¿Hasta qué profundidad? ¿En qué medida está mezclado con el regolito y las rocas del subsuelo? Estas y otras preguntas siguen pendientes de responder, de ahí que en los últimos años haya ganado popularidad la idea de enviar una sonda dedicada exclusivamente a explorar el hielo marciano desde la órbita.

Concepto de orbitador marciano MORIE con un radar para estudiar el hielo marciano (NASA/JPL-Caltech).

Las sondas MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) de la NASA y la Mars Express de la ESA ya incorporan radares para, entre otras cosas, estudiar el hielo marciano. La MRO va equipada con el radar SHARAD (Shallow Radar) —que, en realidad, es de fabricación italiana—, un radar que trabaja en el rango de 15 a 26 megahertzios y que es capaz de alcanzar una profundidad de un kilómetro con una resolución vertical de 15 metros. Por su parte, Mars Express lleva el instrumento MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding), otro radar italiano que trabaja en frecuencias de entre 1,3 y 5,5 MHz capaz de alcanzar hasta 5 kilómetros de profundidad con una resolución de unos 150 metros. Entonces, si estas sondas con radares ya están alrededor de Marte, ¿por qué es necesario enviar otra?

Depósitos de hielo subterráneo en Marte que han quedado expuestos por la erosión (NASA/JPL-Caltech).

Efectivamente, estas misiones fueron pioneras en el uso de radares en el planeta rojo y permitieron caracterizar las enormes reservas de hielo que hay en Marte. Sin embargo, los datos de estos instrumentos no dejan claro cómo son los depósitos de hielo que se hallan a una profundidad comprendida entre los cinco y los veinte metros, justo el rango más interesante desde el punto de vista astrobiológico y de cara a su uso como recurso local (ISRU) por misiones tripuladas en un futuro. Dicho de otra forma, los datos actuales son compatibles en muchas zonas del planeta con amplios depósitos de hielo superficiales con una profundidad de menos de uno o cinco metros o, por el contrario, también se pueden explicar por la existencia de depósitos de hielo que llegan a más de cien metros de profundidad aproximadamente. Sin embargo, no sabemos que pasa en ese rango de cinco a veinte metros bajo la superficie. Tampoco está claro hasta qué latitudes podemos encontrar grandes cantidades de hielo subterráneo, ya que algunos estudios recientes sugieren que existen depósitos hasta prácticamente el ecuador. Este último dato es importante porque resulta recomendable que el lugar de aterrizaje de una misión tripulada a Marte —especialmente si hablamos de una base o un asentamiento semipermanente— no esté en latitudes no demasiado extremas.

Profundidad de los depósitos de hielo marcianos según distintas mediciones (NASA/JPL-Caltech).
La sonda MORIE y sus instrumentos (NASA/JPL-Caltech).

Una de estas nuevas propuestas de misiones espaciales es MORIE (Mars Orbiter Resources Explorer), un orbitador dotado de un potente radar que trabajaría en banda-P (450 MHz), lo que permitiría obtener una resolución vertical de 100 metros. MORIE es una compleja misión que debe sustituir parcialmente a otras sondas que actualmente se encuentran alrededor de Marte y que ya han excedido con creces su vida útil, como Mars Odyssey o MRO. Por ese motivo, MORIE incluiría la cámara C-IMG con una resolución de 1 metro, la cámara estéreo Mid-S-Cam con una resolución de 5 metros y la cámara de campo amplio MAVRIC para monitorizar la meteorología marciana. También llevaría el potente espectrómetro infrarrojo NGSWIS para estudiar la composición del suelo marciano, que compartiría la óptica con la cámara infrarroja Mars-FIRE. Usaría propulsión solar eléctrica con cuatro motores iónicos SPT-140 alimentados por dos paneles solares circulares con un área de 47 metros cuadrados. El radar de MORIE podría funcionar también como radar de apertura sintética (SAR) y, por tanto, sería capaz de obtener imágenes del subsuelo a poca distancia de la superficie con una enorme resolución (50 centímetros).

Órbita científica de MORIE (NASA/JPL-Caltech).

MORIE podría despegar en 2026 mediante un Falcon 9, aunque los autores de la propuesta son conscientes de que la prioridad durante los próximos diez años será la misión de recogida de muestras MSR, así que es posible que no despegue hasta 2035 incluso si es aprobada. MORIE es una misión compleja y bastante cara, de ahí que otros equipos científicos estén estudiando posibles opciones más baratas que se centren en el uso de un radar SAR en banda L. Una de estas propuestas es Ice Mapper, una sonda que llevaría un radar SAR canadiense que funcionaría en la frecuencia de 930 MHz. El radar tendría una resolución vertical inferior a un metro, pero el empleo de esta frecuencia significa que solo alcanzará una profundidad de 6 metros, por encima del rango de profundidades crítico que debe estudiar MORIE. Pese a todo, los datos de Ice Mapper serían muy interesantes para levantar un mapa de los depósitos de hielo que son muy fácilmente accesibles por misiones tripuladas, aunque quizás no pueda detectar la mayor parte del volumen del hielo marciano.

Propuesta Ice Mapper (NASA/JPL-Caltech).

Al igual que Ice Mapper, otra propuesta de bajo coste es COMPASS (Climate Orbiter for Mars Polar Atmospheric and Subsurface Science). Esta sonda estudiaría el hielo marciano mediante radar, pero se centraría en los casquetes polares, que guardan registros de los distintos cambios climáticos que ha sufrido el planeta rojo (además de hielo de agua, en los casquetes polares marcianos hay suficiente hielo de dióxido de carbono como para duplicar la presión de la atmósfera actual… que tampoco es que sea mucho, pero es una cantidad considerable). En concreto, investigaría las características de los depósitos polares en capas, que se formaron entre uno y diez millones de años. Vamos, ayer mismo en términos geológicos. Emplearía el radar CROME (COMPASS Radar Observer for Mars Exploration) en banda-L, de tipo SAR, capaz de alcanzar unos dos metros de profundidad. La sonda llevaría además otros instrumentos para estudiar el clima marciano, incluyendo la cámara MAVRIC —como MORIE— que trabajará en visible e infrarrojo.

Misión COMPASS para estudiar los casquetes polares de Marte. Destaca la antena radar de 6 metros de diámetro (NASA).

Pero si MORIE es ambiciosa, aún lo es más MOSAIC (Mars Orbiters for Atmosphere-Ionosphere Connections). MOSAIC es una misión consistente en nada más y nada menos que diez orbitadores… sí, diez orbitadores (!). En realidad, nueve de ellos serían pequeños o muy pequeños, con una sonda de gran tamaño en órbita polar que actuaría como nave principal. El resto de unidades estaría en órbitas elípticas, polares y areoestacionarias. El objetivo de este despliegue de sondas es estudiar la relación entre la atmósfera y la ionosfera, lo que a su vez nos permitirá saber cómo ha evolucionado el clima de Marte a lo largo de las eras. No obstante, entre la batería de instrumentos que llevarán las sondas, la nave principal llevará un radar en banda-P para estudiar el hielo marciano.

Configuración de lanzamiento de MOSAIC (NASA/JPL-Caltech).
Los satélites en sus órbitas correspondientes (NASA/JPL-Caltech).
Diseño del orbitador principal de MOSAIC con la antena SAR en la parte inferior (NASA/JPL-Caltech).

Las diez sondas de MOSAIC se lanzarían a bordo de un único Falcon Heavy en algún momento de los próximos diez años. El orbitador principal tendría una masa de 3721 kg y estaría situado en una órbita polar de 300 kilómetros de altura y 93º de inclinación, como la MRO. También llevaría una gran antena SAR y dos paneles solares circulares. Los satélites areoestacionarios serían cuatro, uno de 565 kg y tres de 93 kg. Estos cuatro satélites estarían situados en una órbita areoestacionaria, o lo que es lo mismo, una órbita ecuatorial de 17000 kilómetros que les permitiría permanecer fijos sobre el mismo punto de la superficie del planeta rojo. La misión incluiría además tres orbitadores polares de 93 kg y dos sondas de 221 kg situadas en órbitas elípticas de 150 x 6000 kilómetros y 75º de inclinación. Estas dos últimas sondas serían las encargadas de estudiar la interacción del viento solar con la ionosfera y atmósferas marcianas.

Las conexiones de las diferentes partes del clima marciano que estudiará MOSAIC (NASA).
Elementos de MOSAIC (NASA/JPL-Caltech).

Como vemos, hay numerosos conceptos de sondas que podrían desentrañar el misterio del hielo marciano en los próximos años. Lamentablemente, los recursos son finitos y tanto la NASA como la ESA van a estar muy ocupadas con las sondas que forman parte de la misión de retorno de muestras MSR durante los próximos diez años. ¿Se hará realidad alguno de estos proyectos?

Estas misiones para explorar el hielo servirían para allanar el camino a una misión tripulada (NASA).

Referencias:

  • https://mepag.jpl.nasa.gov/meeting/2020-04/Day2/15_MORIE_for_MEPAG_post.pdf
  • https://mepag.jpl.nasa.gov/meeting/2020-04/Day1/16_WATZIN-HALTIGIN-Ice%20Mapper_MEPAG_%20April%20152020_Final%20v2_post.pdf
  • https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/2790.pdf
  • https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/1733.pdf
  • https://mepag.jpl.nasa.gov/meeting/2020-04/Day2/13_MOSAIC_MEPAG_2020_short_version_minimal_backup_post.pdf
  • https://www.hou.usra.edu/meetings/marspolar2020/pdf/6013.pdf


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