Un nuevo concepto para una misión de astrobiología a Encélado

La Conferencia de Ciencia Planetaria Lunar de este año (LPSC 2025) presentó presentaciones y propuestas realmente asombrosas. Estas abarcaron una amplia gama de misiones científicas y de exploración que abordan las prioridades de la NASA, otras agencias espaciales e institutos afiliados. Un área de gran interés fueron las futuras misiones astrobiológicas que buscarán evidencia de procesos biológicos (biofirmas) en cuerpos extraterrestres. Esto incluyó Marte, donde se centran la mayor parte de nuestros esfuerzos astrobiológicos, y lugares en el sistema solar exterior.

Pensemos en Encélado, la luna helada de Saturno conocida por la actividad de sus columnas en su región polar sur. Basándose en modelos planetarios, los científicos teorizan que estas columnas son causadas por la flexión de las mareas en el interior de la luna. Esto provoca que el océano interior de Encélado rompa la superficie (criovulcanismo) y expulse material al espacio. Para confirmar la presencia de materia orgánica y (posiblemente) vida, un equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA propone un orbitador Encélado para realizar mediciones in situ de las columnas de humo de Encélado.

El estudio fue dirigido por Alfred Nash, investigador del JPL, ganador del Premio de Designación Principal del JPL (2015) por Ingeniería y Formulación de Sistemas de Proyectos, e ingeniero jefe del Equipo X, el Equipo de Diseño Avanzado del JPL, responsable de generar rápidamente conceptos innovadores para misiones espaciales. A él se unieron sus colegas del Equipo X del JPL en el Instituto Tecnológico de California (Caltech).

Según su estudio, la propuesta de misión es coherente con el Estudio Decenal de Ciencias Planetarias y Astrobiología 2023-2032 («Orígenes, Mundos y Vida»), publicado en 2022. En este estudio, el comité de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina (NASEM) estableció una misión insignia a Encélado (compuesta por un orbitador y un módulo de aterrizaje) como la segunda prioridad para las misiones desarrolladas antes de 2032:

«El estudio del material de la columna permite el estudio directo de la habitabilidad del océano, abordando una pregunta fundamental: ¿Hay vida más allá de la Tierra? Y, de no ser así, ¿por qué no? Orbilander analizará material reciente de la columna desde la órbita y durante una misión de aterrizaje de dos años. Sus principales objetivos científicos son (1) buscar evidencia de vida; y (2) obtener contexto geoquímico y geofísico para experimentos de detección de vida».

Desde que la misión Cassini-Huygens (2004-2017) estudió Saturno y sus lunas más grandes, los científicos han estado deseosos de observar mejor Encélado. Al igual que Europa, la luna de Júpiter, y Titán, la luna más grande de Saturno, Encélado se considera uno de los lugares más prometedores para la búsqueda de vida extraterrestre en el sistema solar. Debido a la distancia entre la Tierra y Saturno, los conceptos de misión suelen requerir Generadores Termoeléctricos de Radioisótopos (RTG) como fuente de energía.

Estas baterías nucleares impulsaron misiones de astrobiología como los rovers Curiosity y Pereverance, y las naves espaciales Galileo y New Horizons. Al menos tres RTG impulsaron el orbitador Cassini, lo cual se consideró necesario debido a la ineficacia de los paneles solares a esta distancia del Sol. Sin embargo, como explican Nash y su equipo, la NASA ha indicado que el inventario de RTG es limitado debido a su costo y complejidad, en particular en lo que respecta a su combustible de plutonio-238.

Arquitectura de la misión

La arquitectura de la misión resultante consistió en una nave espacial de dos etapas, compuesta por un módulo de aterrizaje y una etapa de inserción en la órbita de Saturno (SOI). Esta misión se lanzaría en noviembre de 2038 utilizando una versión desechable del cohete Falcon Heavy y un motor de cohete sólido Star 48. Esta misión pasaría los siguientes 7,5 años viajando a Saturno, seguido de una aproximación a Saturno de un año y una transferencia orbital a Encélado. A esto le seguirían seis meses de sobrevuelos rápidos de Encélado.

Se estima que el Orbitlander podría tomar muestras del material de la columna doce veces durante esta fase, volando a 50 km (31 mi) de la superficie a velocidades de 5 a 9 km/s (3 a 5,5 mi/s). A esto le seguiría una fase de 2,6 años de duración, la Gira de Saturno y la Inserción Órbita de Encélado (EOI), donde la nave espacial realizaría asistencia gravitatoria para reducir su altitud y velocidad a 30 km (18,5 mi) y de 500 a 900 m/s (0,3 a 0,5 mi/s). La misión dedicará otros 3,5 meses y tomará muestras del material de la columna ocho veces más.

A continuación, la misión reducirá su altitud a 50 km (31 mi) y dedicará un año a explorar un lugar de aterrizaje. Se llevará a cabo la fase DDL, seguida de dos años de operaciones en superficie, durante los cuales el módulo de aterrizaje recogerá y analizará muestras de la corteza helada de la luna, incluyendo agua y material de la columna que se ha vuelto a congelar en la superficie. El equipo también presenta una misión alternativa del Programa Nuevas Fronteras (NF), que también concuerda con las recomendaciones del Estudio Decenal de 2023:

Si las limitaciones presupuestarias no permiten el inicio del Orbilander, el comité incluye el tema de la misión Sobrevuelo Múltiple de Encélado (EMF) en el NF. El EMF ofrece una vía alternativa para avanzar durante esta década en la cuestión crucial de la habitabilidad del mundo oceánico, si bien con un volumen de muestra considerablemente menor, una mayor velocidad de adquisición de muestras y la degradación asociada, y un componente instrumental más pequeño para facilitar la detección de vida.

Diseño

El equipo recomienda un concepto de menor tamaño, peso, potencia y coste (SWaP-C) para su propuesta de Orbitlander de Encélado. El Equipo X se basó en herramientas estándar y Modelos de Costos Institucionales (MCI) validados para evaluar el concepto de su misión e incorporó tecnologías que podrían desarrollarse en los próximos cinco años. Estas tecnologías se evaluaron por su capacidad para minimizar la masa seca de la nave espacial y permitir que la misión alcance sus objetivos científicos utilizando únicamente un sistema de propulsión RTG de última generación.

Renuncian a las ruedas de reacción para el control de actitud y optan por propulsores bipropulsantes de gas frío. Una Computadora Espacial de Alto Rendimiento (HPSC) gestionaría los sistemas de comando y datos. Se eligió un Sistema de Aterrizaje Inteligente Lite para el Descenso, Desorbitado y Aterrizaje (DDL). El subsistema de energía comprende una Arquitectura de Energía Distribuida (DPA) y un Rastreador de Potencia de Pico (PPT), que reducen la masa total del cable y garantizan que el RTG funcione constantemente a 30 voltios, aumentando así la potencia disponible.

Todos estos elementos se seleccionaron porque reducen la masa total de la nave y sus necesidades de energía a la mitad en comparación con los instrumentos utilizados actualmente. El sistema de propulsión aprovecha las mejoras realizadas en los Sistemas de Gas Frío de Baja Temperatura para reducir los requisitos de energía del calentador, mientras que se eligió una serie de tanques de envoltura compuestos por su menor masa. El Orbitlander se basará en una Antena de Ganancia Media (MGA) de banda X de medio ángulo de 10° y una Antena de Alta Ganancia (HGA) de Matriz de Parches para las comunicaciones.

Las Unidades Avanzadas de Calentamiento de Radioisótopos Variables (RHU) gestionarán los sistemas térmicos de la nave espacial, reduciendo así la cantidad de RHU necesarias para calentar los propulsores e instrumentos. Según las conclusiones del equipo, estas decisiones de diseño resultan en un sistema con una masa de lanzamiento 846 kg (1865 lb) más ligera que la estimación de la Evaluación Técnica de Riesgos y Costos (TRACE) del Estudio Decenal, y 900 millones de dólares más económica.

Conclusiones

En general, el diseño del equipo, que prioriza la reducción de potencia, ofrece un concepto rentable, de menor masa y simplificado para una misión astrobiológica a Encélado en las próximas décadas. Al incorporar tecnologías avanzadas y en evolución, afirman que esto podría resultar en una arquitectura capaz de transportar una mayor carga útil a la superficie, brindando así mayores oportunidades científicas:

«Este enfoque no solo reduce los requisitos del vehículo de lanzamiento y el coste total de la misión, sino que también garantiza la viabilidad técnica dentro de los plazos de la década. Estos resultados subrayan la viabilidad de un enfoque de menor SWaP-C como vía para acelerar el progreso durante esta década en la cuestión crucial de la habitabilidad del mundo oceánico, lo que supone un importante avance en el avance de las prioridades científicas descritas en el Estudio Decenal».

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