Mañana día 18 de febrero de 2021 a las 20:48 UTC el rover Perseverance de la NASA comenzará la entrada en la atmósfera de Marte. Perseverance entrará en la atmósfera directamente desde una trayectoria interplanetaria, así que las leyes de la mecánica celeste son inexorables. A estas alturas, la sonda no puede hacer nada para evitar su cita con el planeta rojo. Después de cinco aterrizajes con éxito de forma consecutiva —el accidente de la Mars Polar Lander en 1999 rompió la racha anterior—, la NASA nos ha hecho creer que posar una sonda en Marte es algo sencillo, pero en realidad es increíblemente complicado. La entrada atmosférica constituye la primera parte de la famosa fase EDL (Entry, Descent and Landing), o sea, entrada, descenso y aterrizaje, más conocida por todo el mundo como «los siete minutos de Terror». De todas formas, hay que recalcar que la fase EDL en Marte puede durar entre cinco y ocho minutos dependiendo de la trayectoria. Perseverance, al igual que su gemelo Curiosity, tendrá una fase EDL de siete minutos, pero, por ejemplo, los rovers MER Spirit y Opportunity tuvieron una EDL más corta, de seis minutos. Bien, pero, ¿cómo serán estos siete minutos de terror de Perseverance?

Antes de nada, pongamos algo de perspectiva. Perseverance es la sonda más pesada que aterrizará en Marte. Usará el mayor paracaídas jamás empleado por un artefacto humano en el planeta rojo y, al mismo tiempo, será la sonda que efectúe el aterrizaje más lento en Marte. A pesar de ser un gemelo de Curiosity desde el punto de vista del diseño, solamente es la segunda vez que se emplea una técnica de aterrizaje tan ambiciosa y arriesgada como es la sky crane («grúa celeste»). No cabe duda de que muchas cosas pueden salir mal. Con una masa de 1025 kg, Perseverance supera a Curiosity —900 kg— como el rover más pesado en Marte y en cualquier otra superficie del sistema solar (aunque en la gravedad marciana su peso será «solo» de 393 kg). Estas cifras también lo convierten en la sonda de superficie más pesada lanzada a otro planeta. Su tamaño es más o menos el de un coche pequeño: 3 metros de largo, 2,7 metros de ancho y 2,2 metros de alto con el mástil desplegado. Además, es el segundo rover alimentado por energía nuclear —gracias a un MMRTG de plutonio-238— y la cuarta sonda marciana que explorará la superficie gracias a este tipo de energía (aunque los rovers Sojourner, Spirit y Opportunity llevaban calefactores RHU a base de plutonio, un hecho que no suele mencionarse). Durante la fase final del aterrizaje, Perseverance empleará por primera vez en Marte un sistema de navegación óptico basado en el reconocimiento del terreno, una técnica que, por el momento, solo ha empleado China con éxito en las misiones Chang’e 3, Chang’e 4 y Chang’e 5, pero que nunca se ha puesto en práctica durante el descenso a través de una atmósfera planetaria. Perseverance lleva además el primer helicóptero que volará en otro planeta —el pequeño dron Ingenuity—, así como la tercera estación meteorológica española (MEDA) que estudiará el tiempo marciano.

Pero, ¿por qué cuesta tanto aterrizar en Marte? El planeta rojo tiene una atmósfera que apenas tiene el 1% de la densidad de la atmósfera terrestre. Eso significa que, si quieres llegar de una pieza a la superficie, necesitas usar un escudo térmico, pero los paracaídas no permiten alcanzar una velocidad terminal lo suficientemente reducida para que tu aterrizaje no se convierta en un litofrenado, así que es necesario añadir algún otro sistema para reducir la velocidad, normalmente retrocohetes. En este caso, Perseverance viaja unido a una etapa de descenso con ocho propulsores que llevará el rover hasta la superficie una vez el paracaídas haya hecho su trabajo. Curiosity y Perseverance emplean además la técnica sky crane, consistente en descolgar al rover desde la etapa de descenso mediante tres cables. De esta forma, las ruedas del rover funcionan al mismo tiempo como tren de aterrizaje, eliminando la necesidad de incluir una etapa con patas y rampas para el descenso del vehículo, lo que permite aumentar la masa útil puesta en la superficie.

Antes de ver la secuencia de descenso, una nota pedante: aunque el nombre del rover es Perseverance, la misión y el resto de componentes se denominan oficialmente Mars 2020. Eso quiere decir que la etapa de crucero o la etapa de descenso no se pueden llamar Perseverance, sino Mars 2020, del mismo modo que Curiosity se sigue denominando oficialmente MSL (Mars Science Laboratory). En cualquier caso, es una distinción que puede obviarse. Vayamos al grano. A continuación veremos la secuencia de descenso según la hora de los distintos sucesos en Tiempo Universal (UTC), en el marco de referencia de la Tierra, es decir, según llega la señal de radio a nuestro planeta, que es lo realmente importante (debido a la distancia a la que se encuentra Marte, las comunicaciones sufren un retraso de 11 minutos y 22 segundos). ¡Únete a Perseverance en su aventura!

20:38 UTC: separación de la etapa de crucero.

Durante el viaje a Marte la etapa de crucero ha sido la encargada de garantizar las comunicaciones, refrigerar el rover, suministrar energía y llevar a cabo las maniobras de corrección de trayectoria. Esta etapa, aparentemente sencilla, tiene una masa de unos 540 kg y está construida en aluminio. Incluye una antena de media ganancia, cuatro sensores solares, un sensor estelar y diez radiadores, además del sistema de propulsión consistente en ocho propulsores monopropelentes de hidrazina de 5 newton de empuje agrupados en dos conjuntos, alimentados por dos tanques de 48 centímetros de diámetro. La alimentación eléctrica de la etapa de crucero corre a cargo de seis paneles solares de unos 13 metros cuadrados situados en la parte superior de la misma que generan entre 2500 y 1080 vatios. Para mantener estable el conjunto, durante el viaje a Marte la etapa de crucero ha mantenido la nave girando a 2 revoluciones por minuto. Unos cinco minutos después de la separación de la etapa, la cápsula para su rotación.

Durante los 203 días de viaje a Marte —más o menos seis meses y medio— la etapa de crucero ha sido un elemento fundamental, pero ya no es necesaria. Nada más separarse, la etapa usa sus propulsores para hacerse a un lado, una maniobra que pretende evitar que los trozos de la etapa puedan alcanzar y dañar la cápsula durante la entrada atmosférica (los rovers Spirit y Opportunity no llevaron a cabo esta maniobra y los controladores se dieron cuenta del peligro con posterioridad, para horror suyo). Antes de la separación se activa el sistema de guiado, navegación y control (GNC) del rover, gestionado por los dos ordenadores redundantes que lleva, de tal forma que el control de tierra se asegura que tenga los datos actualizados sobre la situación de la sonda con respecto a Marte.

20:48 UTC: entrada en la atmósfera de Marte. Comienzo de los «Siete Minutos de Terror».

En este momento la cápsula con la etapa de descenso y el rover entra en las capas más externas de la atmósfera marciana a una velocidad de 19,500 km/h (5,4 km/s). La cápsula de descenso, construida por Lockheed Martin, es similar a la de Curiosity y es la más grande que haya sido lanzada a Marte, con un ángulo de 70º y un diámetro de 4,5 metros (las cápsulas de las sondas Pathfinder, Spirit, Opportunity, Phoenix e InSight tenían un diámetro de 2,65 metros). De hecho, es más grande que muchas cápsulas tripuladas (las naves Apolo tenían 4 metros de diámetro). La cápsula (aeroshell) se divide en el escudo trasero (backshell) y el escudo térmico propiamente dicho (heat shield). La masa total de la cápsula es de más de 2,5 toneladas. Aunque es más grande que las usadas por las sondas Viking en los años 70, su diseño es similar para aprovechar los estudios aerodinámicos y la experiencia de estas sondas. La cápsula dispone en el backshell de ocho propulsores de hidrazina 250 newton agrupados en cuatro pares con el fin de controlar las maniobras durante la fase EDL. Estos propulsores se alimentan de uno de los tanques de hidrazina de la etapa de descenso.

¿Cómo garantizar las comunicaciones con la Tierra? Después de la pérdida de la Mars Polar Lander, la NASA decidió añadir algún tipo de señal durante la fase EDL para, si algo salía mal, saber cuándo se había producido el fallo. Perseverance no emite durante los siete minutos de terror telemetría propiamente dicha a la Tierra, sino unos «tonos» que, según el efecto Doppler, nos permiten saber la velocidad del vehículo y en que fase está o si sigue funcionando. Cada fase lleva asociada una serie de tonos diferentes. Estos tonos se transmiten a través de dos antenas en banda X, una situada en el rover —se usa al final de la fase EDL y durante el resto de la misión— y otra en la fase de descenso. Durante el trayecto a Marte, esta antena de la fase de descenso emite a través de otra antena de ganancia media situada en la etapa de crucero. Durante la entrada emite a través de dos antenas de baja ganancia localizadas en el backshell y, luego, a través de una antena de baja ganancia del paracaídas. La telemetría sí se emite a través de tres antenas UHF (una en el backshell, una en la etapa de descenso y otra en el rover) hacia los orbitadores que estén alrededor de Marte. No obstante, algunos radiotelescopios potentes pueden ser capaces de captar esta señal UHF desde la Tierra.

20:49 UTC: máximo calentamiento del escudo térmico y máxima deceleración. Maniobras hipersónicas.

En este momento, la parte frontal del escudo térmico alcanza los 1300 ºC. El escudo está construido con el material ablativo PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator), capaz de resistir hasta 2100 ºC y no muy diferente del que emplea SpaceX en sus cápsulas Dragon y Crew Dragon. Durante esta fase las comunicaciones con la Tierra pueden interrumpirse temporalmente por la bola de plasma que se crea alrededor del vehículo. Tras el máximo calentamiento —80 segundos tras el comienzo de la entrada— llega la máxima deceleración —90 segundos tras la entrada—, que en el caso de esta misión alcanza 11 g, no apta para astronautas, pero sí para un robot como Perseverance.

Al igual que Curiosity, tras la máxima aceleración la cápsula de Perseverance realizará una serie de maniobras hipersónicas para aumentar la precisión del aterrizaje, lo que resulta imprescindible para poder aterrizar dentro del cráter Jezero. Estas maniobras son similares a las empleadas en la Tierra por las cápsulas Apolo, las naves 7K-L1 soviéticas o, más recientemente, las cápsulas de las sondas Chang’e 5 T1 y Chang’e 5. Para ello, la cápsula genera una pequeña fuerza de sustentación creada al separar el centro de masas del eje longitudinal del vehículo. Puesto que durante el viaje a Marte la cápsula debe estar equilibrada, la desviación del centro de masas se consigue eyectando lastres de tungsteno. Dos de estos lastres, de 70 kg cada uno (los de Curiosity eran de 75 kg), se expulsan cinco minutos antes de la entrada. La cápsula queda entonces con un ángulo de unos 16º con respecto a la dirección de avance. Luego, la cápsula maniobra mediante las cuatro parejas de propulsores de hidrazina haciendo girar el eje del vehículo de tal forma que se pueda ajustar su trayectoria real a la prevista. Antes del despliegue del paracaídas se eyectan otros seis lastres de 25 kg para volver a equilibrar la cápsula.

Estas maniobras hipersónicas  consisten en poner la cápsula «de lado» —eje de guiñada—, es decir, giros en forma de ‘S’ para reducir la velocidad si la sonda va demasiado rápido. Aterrizar con precisión en Marte es tremendamente complicado porque la atmósfera marciana varía su densidad drásticamente en poco tiempo. Aunque los controladores de la misión pueden ajustar con mucha precisión el corredor de la entrada atmosférica, esta variación de densidad es tan grande que genera una gran incertidumbre en el aterrizaje. O, dicho de forma más técnica, la elipse de aterrizaje no se puede reducir por mucha precisión que tengamos en el punto de entrada. Además, este error se ve agravado por la necesidad de hacer que la sonda recorra una gran distancia dentro de la atmósfera para frenar la nave lo máximo posible. Por eso estas maniobras son imprescindibles para aumentar la precisión del aterrizaje. Sin ellas, la elipse sería de unos 100 x 30 kilómetros, mientras que con su ayuda la elipse se reduce a unos 20 x 7 kilómetros.

20:52 UTC: apertura del paracaídas.

Perseverance desplegará el mayor paracaídas jamás usado en Marte: una gran cúpula de 21,5 metros de diámetro, mayor incluso que el de Curiosity (para compensar la mayor masa del rover). El despliegue tendrá lugar a una altura de entre 9 y 13 kilómetros. Como todas las últimas sondas de la NASA, el paracaídas se despliega a velocidades supersónicas —1600 km/h—, por lo que el riesgo de ruptura es muy real. Para que quepa en la cápsula, el paracaídas se pliega como si fuera un origami espacial, alcanzando la densidad de la madera una vez doblado. El paracaídas está hecho de poliéster en su parte superior y nylon en el resto de la cúpula. Las líneas de sujeción son de Kevlar y Technora. En anteriores misiones, el paracaídas se desplegaba lo antes posible una vez la cápsula hubiese alcanzado una velocidad determinada. En esta misión se usará por primera vez la técnica de range trigger, que despliega el paracaídas antes o después de esta velocidad ideal en función de la posición relativa de la nave con respecto del lugar de aterrizaje previsto (o, mejor dicho, según la posición en la que el ordenador de la nave cree que se halla). Esta técnica permite reducir aún más la elipse de aterrizaje, redondeándola.

Antes de la apertura, la sonda se estabiliza, una fase conocida como SUFR (Straighten Up and Flight Right, «ponte derecho y vuela recto»), mediante la eyección de los seis lastres antes mencionados. De esta forma, el eje del vehículo no se desvía más de 5º de la trayectoria. Luego la cápsula gira 180º para facilitar las tareas del radar cuando se active. La fase SUFR dura unos 15 segundos. Gracias al paracaídas la sonda cambia su trayectoria casi horizontal por un descenso prácticamente vertical. Pero, incluso con el paracaídas, la velocidad terminal de la nave es superior a la que tendría en la Tierra un paracaidista en caída libre sin paracaídas (más de 300 km/h), de ahí la necesidad imperiosa de frenar el descenso con cohetes u otros sistemas. Durante esta fase, la sonda MRO (Mars Reconnaisance Orbiter) intentará fotografiar la sonda con el paracaídas desplegado, como ya hizo con Curiosity.

20:52-20:53 UTC: separación del escudo térmico.

Veinte segundos después del despliegue del paracaídas Perseverance ya vuela a velocidades subsónicas y se separa el escudo térmico inferior, que cae hacia el suelo a mayor velocidad que el resto de la nave. Treinta segundos tras la separación del escudo, cuando la sonda está a 7 u 8 kilómetros de altura, se activa el radar de la etapa de descenso para calcular la distancia precisa al suelo (no se activa antes para dar tiempo a que se frenen las oscilaciones del paracaídas y evitar que el radar se confunda con el escudo térmico). Por debajo de los 4,2 kilómetros, Perseverance observará el terreno mediante a una cámara específicamente diseñada para este objetivo. Las imágenes en blanco y negro se comparan con un mapa de la zona que lleva la sonda en su memoria para medir la desviación de la trayectoria prevista (primero se toman tres imágenes en cinco segundos para determinar la posición con respecto al suelo y, una vez calculada, se toman imágenes cada segundo para mejorar la precisión). A 3,7 km de altura la sonda ya ha calculado su trayectoria gracias a las imágenes. Una vez se separe la etapa de descenso, esta maniobrará para seguir la nueva trayectoria calculada. Perseverance se convertirá así en la primera sonda marciana que use navegación óptica o TRN (Terrain-Relative Navigation). El sistema TRN de Perseverance se denomina LVS (Lander Vision System) y será capaz de modificar el punto de aterrizaje hasta 600 metros.

Durante el aterrizaje de Curiosity pudimos ver las espectaculares imágenes del descenso hacia la superficie grabadas desde el rover. En esta ocasión, además, también seremos capaces de ver el despliegue del paracaídas desde el backshell (con tres cámaras redundantes), la etapa de descenso desde el rover y el rover desde la etapa de descenso. Las imágenes, a color, prometen ser alucinantes.

Y es que Perseverance lleva nada más y nada menos que 23 cámaras, frente a las 17 de Curiosity. 19 de estas cámaras viajan en el rover y el resto en otros elementos de la sonda. Además de las cámaras de los instrumentos científicos Mastcam-Z, SuperCam, PIXL, SHERLOC y WATSON, el rover lleva tres pares de cámaras Hazcam —cuatro delante y dos detrás— y un par de Navcam para guiado y navegación mejoradas —Curiosity lleva dos pares de Navcam—, de tal forma que ahora serán capaces de tomar imágenes a color y tienen un mayor campo de visión. También incorpora una nueva cámara, la CacheCam, destinada a grabar los tubos de muestras para asegurarse de que han sido correctamente rellenados, y la SkyCam, de la estación meteorológica española MEDA, una cámara lente de pez que observará el cielo marciano para estudiar las nubes y el polvo en suspensión. Por si fuera poco, Perverance podrá grabar los sonidos del descenso gracias a un micrófono especial (otro micrófono está incluido en el instrumento SuperCam).

20:54 UTC: separación de la etapa de descenso con el rover y maniobra sky crane.

En este momento tiene lugar una de las fases más críticas de toda la misión, si no la más crítica. A una altura de 2,1 kilómetros y una velocidad de 320 km/h, la etapa de descenso con el rover se separa de la parte trasera del escudo térmico con el paracaídas. Después de caer durante un par de segundos de infarto, se encienden ocho motores para frenar la caída. La etapa realiza además una maniobra evasiva para alejarse de la trayectoria del backshell con el paracaídas. Los motores de la etapa de descenso funcionan con hidrazina y se denominan MLE (Mars Lander Engines). Están construidos por Aerojet Rocketdyne y su diseño está basado en los motores empleados por las sondas Viking en los años 70. Pueden regular su empuje, alcanzando un máximo de 3300 newton cada uno. Justo antes de la separación los motores se activan a 1% del empuje total. Cuatro de los motores están inclinados 5º hacia el exterior y los otros cuatro 22,5º, de tal forma que el escape no afecte a la parte superior del rover cuando se despliegue. Para alimentar los ocho motores, la etapa de descenso emplea 387 kg de hidrazina distribuidos en tres tanques esféricos. Dos tanques de helio se encargan de presurizar los tanques. Los dos ordenadores redundantes de Perseverance controlan la etapa de descenso, aunque esta dispone de su propio ordenador para gestionar la navegación.

Esta vez, la etapa se encenderá un par de metros por encima de la altura que se activó con Curiosity. Por lo demás el descenso será muy parecido. La etapa incluye también antenas de comunicaciones (banda X y UHF) y el radar Doppler de aterrizaje, dotado de seis antenas independientes (una antena apunta directamente hacia la parte inferior del vehículo, tres antenas apuntan con una inclinación de 20º en distintas direcciones y las dos restantes con una inclinación de 50º). Los datos del radar se combinarán con los del sistema TRN para garantizar un descenso seguro y reducir la elipse de aterrizaje a una zona de apenas 7,7 x 6,6 kilómetros, la menor de la historia de la exploración de Marte.

Una vez alcanzada una trayectoria totalmente vertical, cuatro de los ocho motores —los que están inclinados 5º— se apagan para garantizar un descenso a velocidad constante (en realidad reducen su empuje al 1%, pero el efecto es el mismo). A los 21,3 metros de altura da comienzo la delicada y compleja maniobra sky crane. La etapa de descenso comienza a descolgar el rover mediante res cables de sujeción de nylon que se desenrollan en cinco segundos hasta alcanzar una longitud máxima de 7,6 metros (además de un umbilical con conexiones eléctricas). La parte más crítica de esta fase es asegurarse que los cables se despliegan correctamente sin que se acelere la caída del rover. Para ello se emplea un freno eléctrico similar al de los coches eléctricos o híbridos. También es importante amortiguar los movimientos pendulares, pues las ruedas de Perseverance no están diseñadas para soportar un aterrizaje con una velocidad horizontal demasiado elevada (de hecho, en su momento estos movimientos pendulares fueron uno de los mayores obstáculos para garantizar la viabilidad del sistema sky crane, hasta que se desarrollaron los algoritmos adecuados). Un segundo después del inicio de la maniobra sky crane, las ruedas de Perseverance se liberan de los cinco puntos de sujeción que las han mantenido plegadas durante todo el vuelo.

20:55 UTC: ¡aterrizaje de Perseverance!

La etapa de descenso sigue bajando hasta que las ruedas del rover tocan el suelo. En ese momento, la etapa de descenso siente que debe reducir drásticamente el empuje para descender a la misma velocidad, una señal de que Perseverance ha aterrizado y su misión ha concluido. El aterrizaje tendrá lugar a 2,7 km/h, el más lento de la historia. Unas guillotinas accionadas por mecanismos pirotécnicos se encargan de cortar los cables y la conexión eléctrica con la etapa, que, a continuación, ejecuta una maniobra de evasión para evitar chocar con el rover. Obediente y sacrificada, la etapa se estrella a suficiente distancia para no dañar al rover (a más de 150 metros).

Durante la fase EDL, Perseverance se comunicará con la Tierra a través de la Red de Espacio Profundo (DSN) y la sonda MRO. Dependiendo de las condiciones precisas del descenso, las primeras imágenes podrán llegar a la Tierra minutos después del aterrizaje. Serán versiones en baja resolución de imágenes en blanco y negro procedentes de las cámaras Hazcams frontales y traseras. Las imágenes puede que se vean un poco turbias porque se tomarán a través de las cubiertas transparentes de las cámaras. Estas cubiertas, diseñadas para proteger las cámaras del polvo y los guijarros levantados por los motores de la etapa de descenso, se expulsarán poco después.

Con un poco de suerte, Perseverance se encontrará en medio de la elipse de aterrizaje, en la región de Timanfaya, junto al delta fluvial fosilizado que es el objetivo principal de la misión. En los próximos meses y años Perseverance buscará biomarcadores en las rocas del cráter Jezero y almacenará muestras que serán recogidas por el rover europeo de la misión SRL. Si todo sale bien, estas muestras llegarán a la Tierra con la sonda europea ERO en 2031 y entonces, quizá, podremos saber si la vida surgió en el Marte primigenio. La gran aventura de Perseverance está a punto de comenzar.

¡Sigue el aterrizaje de Perseverance en directo con Radio Skylab! ¡Prepara tus cacahuetes de la suerte!

Sorpresa espacio-trastornados ¡Nos sumamos mañana a retransmitir en directo la llegada de Perseverance a Marte! Nos vemos en nuestro canal de Youtube a partir de las 20:00 (UTC).
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— Radio Skylab (@radioskylab_es) February 17, 2021