Una de las prioridades de la comunidad científica estadounidense es el estudio de Urano. Hace dos años la NASA decidió que los próximos objetivos de las misiones más complejas de la agencia espacial en el Sistema Solar exterior debían ser Urano y Encélado, zanjando así un debate de lustros sobre si la prioridad tenía que ser Urano o Neptuno. La misión a Urano se ha denominado provisionalmente UOP (Uranus Orbiter and Probe), indicando que la nave debe ser un orbitador para no limitarse a sobrevolar el planeta y, además, debe llevar una sonda para analizar in situ la atmósfera del planeta. UOP es por el momento una propuesta de misión que no ha sido aprobada formalmente, aunque la NASA espera poder lanzarla entre  2031 y 2038. Pero hay un problema y es que antes de ser aprobada la agencia debe concretar el diseño general y los objetivos de la misión, lo cual requiere un presupuesto relativamente modesto, pero que no es ni mucho menos despreciable. Lamentablemente, por ahora no hay dinero para sacar adelante la misión en los plazos previstos.

La razón es que la misión MSR para traer muestras de Marte ha generado un gran agujero negro en el presupuesto planetario de la NASA y, como resultado, UOP ve peligrar su calendario. Y es un problema, porque el tiempo corre en contra de UOP en dos frentes. Por un lado, porque las ventanas de lanzamiento más favorables tendrán lugar a principios de la próxima década. Esto se debe a que UOP debe aprovechar la alineación favorable de Júpiter para alcanzar antes Urano. Dependiendo de la masa final de la sonda, a partir de 2033 las oportunidades de realizar un sobrevuelo de Júpiter se reducen o, directamente, desaparecen. El otro horizonte temporal es 2050. En ese año tendrá lugar el equinoccio en Urano, por lo que a partir de entonces el hemisferio que no pudo ver la Voyager 2 en 1986 estará cada vez menos iluminado (recordemos que Urano tiene una elevada inclinación de su eje de rotación y «gira tumbado»). Por este motivo, el plan de la NASA para UOP era despegar en 2031 (o, como muy tarde, 2032) mediante un Falcon Heavy, sobrevolar Júpiter en 2035 y llegar a Urano en 2044, a tiempo para poder observar los dos hemisferios iluminados, con especial énfasis en el hemisferio opuesto al observado por la Voyager 2.

Para solucionar este problema solo hay dos opciones: o bien usamos un lanzador más potente y reducimos así el tiempo de vuelo o bien disminuimos la masa de la sonda (o ambas cosas). Con respecto al último punto, la reducción de la masa es un asunto complejo porque UOP es una misión de tipo Flagship que debe llevar una importante cantidad de instrumentos científicos, una antena de alta ganancia que garantice comunicaciones eficientes desde la órbita de Urano, tres generadores de radioisótopos (RTG) y, sobre todo, combustible para colocar la sonda en órbita de Urano. Y es que los propelentes suponen nada más y nada menos que entre el 60% y el 70% de la masa de la sonda (unos 1800 kg en el diseño básico de 2022). ¿Cómo reducir esta masa? Una posibilidad muy interesante es la aerocaptura. Este procedimiento permite usar la atmósfera del planeta para frenar la nave desde una trayectoria hiperbólica con respecto al planeta hasta una velocidad orbital. A cambio, la sonda debe estar rodeada por un escudo térmico durante todo el vuelo hasta Urano.

Se han llevado a cabo muchos estudios de aerocaptura para misiones a los planetas exteriores, aunque la mayoría se basan en cuerpos sustentadores o ballutes, relativamente complejos de diseñar y operar. Sin embargo, recientemente la NASA ha llevado a cabo estudios que concluyen que una sonda con un escudo térmico con una forma idéntica al empleado por los rovers marcianos Curiosity y Perseverance —con un ángulo de 70º— podría efectuar una aerocaptura sin problemas (los estudios han analizado diámetros de 4,5 y 5 metros para UOP). Gracias a la aerocaptura, UOP tendría una masa final de 5500 kg en vez de los 8300 kg de la variante con propulsión química.

No obstante, la aerocaptura presenta otros inconvenientes, siendo el principal que nadie la ha probado antes. Efectivamente, se han ensayado en múltiples ocasiones técnicas de aerofrenado en Marte y Venus para reducir los apogeos de las órbitas, pero nunca se ha hecho una aerocaptura propiamente dicha. Además, en el caso de Urano, hay que tener en cuenta que la velocidad de entrada en la atmósfera sería de unos 27 km/s, frente a los más de 6 km/s en Marte. Afortunadamente, la sonda no tiene que descender en las capas profundas de la atmósfera, solo frenar lo suficiente para quedar en órbita de Urano, por lo que la carga térmica y la deceleración serían de hecho menores a las encontradas durante el descenso de una sonda en Marte (entre 3 y 3,5 g de deceleración en Urano con aerocaptura frente a 11,3 g en un descenso a la superficie de Marte). Por otro lado, el hecho de que la atmósfera de Urano esté formada principalmente por hidrógeno y helio hace que el calentamiento radiativo sea muy bajo comparada con una atmósfera de dióxido de carbono o nitrógeno.

Como decíamos, si la aerocaptura es una de las soluciones, la otra, y más obvia, es emplear lanzadores más grandes. Con aerocaptura, si usamos el Falcon Heavy de SpaceX —recordemos que es el lanzador seleccionado para esta misión— es posible reducir el tiempo de vuelo hasta Urano de 13 a 9 años, además de permitir ventanas de lanzamiento que sobrevuelen Júpiter hasta 2033. Como esta fecha es poco probable por culpa de los problemas presupuestarios, un lanzamiento en 2038 mediante el Falcon Heavy con aerocaptura y sin sobrevuelo de Júpiter tardaría en llegar 12 años, justo para el equinoccio. Con lanzadores todavía más potentes y la aerocaptura, como el SLS Block 2 (más una etapa Centaur) o la Starship se podría llegar en de forma directa en tan solo 6 o 7 años, aunque se podría aprovechar sobrevuelos de Júpiter hasta 2035 para reducir el tiempo de vuelo a tan solo 5 años. En este caso la aerocaptura permitiría eliminar otro problema, y es que para las trayectorias más directas hace falta llevar todavía más combustible con el fin de frenar la sonda en órbita de Urano. Con aerocaptura una trayectoria muy energética como la proporcionada por el SLS o la Starship no sería un inconveniente.

Por tanto, la aerocaptura parece la solución para salvar UOP, aunque todavía es necesario refinar muchos modelos para tener claro que va a funcionar a la primera (por ejemplo, es necesario estudiar el régimen térmico resultado de tener tres RTG dentro de un escudo térmico durante muchos años, aunque la sonda Dragonfly arrojará datos al respecto al llevar un RTG hasta Titán durante unos 8 años). Sin aerocaptura, incluso usando grandes lanzadores el tiempo de vuelo aumenta. Boeing —contratista principal del SLS— lleva años proponiendo una misión doble a Urano y Neptuno mediante un único SLS (dos sondas de unas 6,5 toneladas cada una), pero con propulsión química se tardarían 16 años en llegar a Urano y 18 a Neptuno (dejando a un lado de que simplemente no hay dinero para financiar una misión de este tipo con dos sondas en vez de una).

Como vemos, la aerocaptura permitiría lanzar la misión UOP más tarde durante la próxima década, quizá sin necesidad de sobrevolar Júpiter, y permitiría usar lanzadores enormes como el SLS o la Starship. ¿Se atreverá la NASA a cambiar el diseño de UOP por una opción más ambiciosa para llegar antes a Urano? Otra alternativa es acelerar el desarrollo para que UOP se pueda lanzar a principios de la próxima década. Como decíamos, la NASA no tiene dinero para esta opción, pero sí une fuerzas con la ESA quizás sí que habría una oportunidad.

Referencias:

• https://ieeexplore.ieee.org/document/10521306
• https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230016921/downloads/v2Uranus_FlagshipOrbiterProbe_Using_Aerocapture.pdf
• https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230017193/downloads/Aerocapture_Uranus_Overview_AIAA_SciTech_Dutta_v2.pdf
• https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2024/pdf/1285.pdf
• https://nap.nationalacademies.org/read/12554/chapter/5#75