Las misiones de retorno de muestras de cuerpos del sistema solar están de moda. A pesar de la miniaturización de los instrumentos científicos para sondas espaciales, los avances en técnicas de análisis e instrumentación aquí en la Tierra no paran de avanzar a pasos agigantados. Por mucho que reduzcamos un instrumento, mandar un acelerador de partículas a otro mundo para averiguar la composición de los minerales seguirá siendo una tarea hercúlea. Ya hemos mandado misiones de retorno de muestras a los asteroides cercanos y la Luna, mientras que hay planeadas misiones de este tipo a Marte y a varios asteroides. En el futuro, los géiseres de Encélado y los cometas serán también objetivos prioritarios. ¿Pero qué hay de Titán? Este satélite de Saturno es uno de los mundos más fascinantes del sistema solar gracias a su densa atmósfera y a la presencia de lagos y mares de metano líquido. La superficie de Titán está repleta de sustancias orgánicas complejas que nunca podrán ser analizadas convenientemente mediante una pequeña sonda espacial. La sonda Dragonfly de la NASA explorará Titán y sus sustancias orgánicas a mediados de la próxima década y, aunque nadie duda de que aprenderemos mucho, lo ideal sería poder analizar muestras de este satélite en la Tierra.

El problema de una misión de retorno de muestras de Titán es que, como en todos estos proyectos, es que hay que hacer el camino de vuelta, y eso implica un enorme gasto energético. No olvidemos que una sonda espacial es, en líneas generales, un cohete y eso implica que su diseño debe seguir la ecuación del cohete de Tsiolkovsky. Es decir, cuanto más combustible llevemos, más tendremos que incorporar para cargar ese combustible extra y así sucesivamente. Con el fin de evitar emplear sondas gigantescas, las arquitecturas de retorno de muestras utilizan los mismos ‘atajos’ que los lanzadores: emplear etapas adicionales y, si es posible, sistemas de propulsión más eficientes. Por este motivo, la misión de retorno de muestras desde Marte de NASA y ESA usará tres sondas —quizá cuatro— y el orbitador ERO de la ESA que traerá los trozos de Marte a la Tierra empleará propulsión iónica. En el caso de Titán hay que superar el pozo gravitatorio de Saturno y Titán, además de la enorme distancia que los separa de la Tierra (la distancia no afecta a la Delta-V, pero sí al tiempo de vuelo).

Geoffrey A. Landis, del centro John Glenn Research de la NASA, lleva años estudiando la viabilidad de una misión de retorno de muestras de Titán para analizar en la Tierra las preciosas tolinas de la mayor luna de Saturno. La idea es traer a nuestro planeta un conjunto de muestras superficiales con una masa de 3 kg. Aunque en un principio se sopesó utilizar dos sondas —una para recoger las muestras y colocarlas en órbita de Titán o Saturno, y otra para recogerlas y traerlas a la Tierra—, finalmente se decidió el esquema de una única misión por ser más sencillo y evitar el riesgo que lleva aparejado lanzar y operar dos misiones espaciales. Para lograrlo, el concepto clave del equipo de Landis es el uso de ISRU (In-Situ Resource Utilization), es decir, recursos locales, que, en el caso de Titán, significa usar el metano de los lagos como combustible y el oxígeno de las rocas —hechas de hielo de agua principalmente— como comburente.

El concepto de misión, que tendría una duración total de 17 años, sería el siguiente. La sonda despegaría en octubre de 2038 mediante un Falcon Heavy y, tras un sobrevuelo de Júpiter, llegaría a Titán en diciembre de 2045. La sonda tendría forma de un cuerpo sustentador y entraría directamente a 6 km/s en la atmósfera de Titán. Tras descender mediante paracaídas, la sonda desplegaría sus sistemas en la superficie. El vehículo estaría formado por dos partes principalmente. Por un parte, el lanzador para devolver las muestras a la Tierra y, por otro, una sección con la planta destinada a generar el combustible y comburente, los sistemas de comunicaciones, un rover y un generador de radioisótopos de un kilovatio de potencia (el calor del RTG serviría también para derretir las rocas y obtener oxígeno). La misión necesitaría unos tres años para sintetizar 3 toneladas de metano y oxígeno líquido para el lanzador, que introduciría un novedoso diseño plegable. O sea, para que quepa en el escudo térmico de la sonda, el cohete usaría tanques de propelentes flexibles y una estructura desplegable que alcanzaría su tamaño completo una vez llenos los tanques. Una vez desplegado, el cohete tendrá una longitud de 11,74 metros y un diámetro de 1,4 metros. La masa de la sonda al aterrizaje sería de una tonelada aproximadamente.

Con el objetivo de obtener el metano, la sonda debería aterrizar cerca de un lago o un mar y desplegar mediante la ayuda del rover un tubo de succión. Se podría usar la mezcla de metano y etano de los mares directamente o, mejor, destilarla para obtener metano puro. Otra opción sería utilizar el hidrógeno resultado de la electrólisis del hielo de las rocas, que es un combustible más eficiente. Lo malo es que el hidrógeno ocupa mucho más volumen —o sea, tendríamos un cohete más grande— y habría que emplear un aislante efectivo para mantenerlo líquido una vez en órbita. Una vez recogidas las muestras, el lanzador de tres etapas utilizaría dos de estas etapas para colocar la sonda de regreso con los 3 kg de muestras en una órbita alrededor de Titán de mil kilómetros de altura en junio de 2049. La sonda pasaría luego un año efectuando maniobras de asistencia gravitatoria con Titán que culminaría en un sobrevuelo cercano de Saturno con el fin de poner rumbo a la Tierra. La tercera etapa del lanzador serviría en estas fases para maximizar la Delta-V. La sonda de regreso tendría una masa total de 250 kg y dispondría de dos paneles solares flexibles de tipo ROSA de 3,6 metros cuadrados. La cápsula de retorno tendría el mismo diseño que la cápsula de la misión OSIRIS-Rex que traerá muestras del asteroide Bennu a la Tierra. Si todo sale bien, la cápsula con los 3 kg de muestras aterrizará en la Tierra a una velocidad de 15 km/s en enero de 2056. Hasta 1 kg de oxígeno líquido se usaría para mantener la temperatura de las muestras por debajo de los 100 kelvin, evitando así que se puedan deteriorar.

Y, por fin, a comienzos de los años 50 tendríamos información detallada de las tolinas de Titán, unas sustancias orgánicas que, además de abundar en esta luna de Saturno, son extremadamente comunes en el sistema solar exterior y en el cinturón de Kuiper. Sin duda, una misión de este tipo es muy ambiciosa, aunque es de esperar que los datos de Dragonfly nos ayuden a concretar los objetivos y diseño de un proyecto tan complejo. Eso sí, por ahora un retorno de muestras de Titán no es una prioridad para la comunidad científica, a diferencia del estudio de Encélado o Europa.

Referencias:

• https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20210025383/downloads/Titan%20Sample%20Return_AIAA-SciTech_Finals%20(002).pdf
• https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2022/pdf/2626.pdf