La frontera de ingeniería de Comet y Asteroid Sample Return

En la jerarquía de los esfuerzos espaciales profundos, pocos logros coinciden con la audacia técnica de una misión de retorno de muestra de un cometa o asteroide. Estas operaciones requieren una nave espacial para viajar cientos de millones de kilómetros, reunir con un cuerpo a menudo no más grande que un bloque de ciudad, recoger material prístino de su superficie o subsuperficie, y luego entregar ese sistema de carga de forma segura de nuevo a la Tierra.

Principales desafíos en el diseño de naves espaciales para las misiones de retorno de muestras

La nave espacial debe realizar múltiples fases de alto riesgo: tránsito espacial profundo, encuentro de precisión, interacción superficial, adquisición de muestras y contención, ascensión, retorno de la Tierra y reentrada atmosférica. Cada fase introduce modos de falla que un fallo de un solo punto puede condenar. Las subsecciones siguientes detallan los principales retos que impulsan el proceso de diseño.

Environmental Hazards of Small Bodies

Los cometas y asteroides ocupan un entorno duro y variable. La nave espacial debe soportar oscilaciones de temperatura extrema a medida que se mueven a través de órbitas que los acercan al Sol y luego muy lejos en el frío del espacio profundo. En la superficie, las temperaturas pueden oscilar mucho más de 100 curvas#176;C en la luz solar directa a menos de 150 manzanas#176;C en la sombra.

Muestra de recogida y almacenamiento de integridad

La captura de una muestra es sólo la mitad de la batalla. El material recogido debe ser almacenado de una manera que preserve su valor científico durante los meses o años de tránsito de regreso a la Tierra. La contaminación es una preocupación principal: la muestra debe estar aislada de la extracción de energía de la nave espacial, de residuos patentados, y de cualquier material biológico que pueda comprometer futuros análisis de detección de vida.

Operaciones autónomas y demoras temporales

Los retrasos de comunicación entre la Tierra y una nave espacial cerca de un asteroide o cometa pueden ser varios minutos a decenas de minutos, dependiendo de la distancia. Esto hace que el control remoto en tiempo real impractical para maniobras críticas tales como aterrizaje, muestreo y ascenso. La nave espacial debe poseer un alto grado de autonomía, incluyendo detección de peligros a bordo y evitación, guía y navegación en relación con el objetivo, y la capacidad de ejecutar una secuencia de muestreo sin intervención.

Consideraciones de diseño para naves espaciales de retorno de muestras

Cada subsistema en una nave de retorno muestral debe ser optimizado para el perfil específico de la misión. El proceso de diseño debe equilibrar la masa, la potencia, el control térmico, la fiabilidad y el costo, mientras que se adaptan a las demandas únicas de las operaciones de pequeño cuerpo.

Propulsión y navegación

La navegación por precisión es la base de cualquier misión de retorno de muestra. El sistema de propulsión debe ser capaz de entregar muy buenos impulsos para el acercamiento y mantenimiento de estaciones, así como maniobras más grandes para la corrección de trayectoria y la quemadura de retorno. Los sistemas de propulsión química de micropropiación de asteroides se han utilizado históricamente, pero la propulsión eléctrica se ve favorecida cada vez más por su impulso específico superior, permitiendo oportunidades de rendezvous.

La navegación depende de sensores ópticos y láser. La nave espacial debe construir un modelo detallado del cuerpo objetivo desde lejos, luego refinar ese modelo durante el enfoque. Cámaras ópticas, LIDAR (Detección de la luz y Ranging), y a veces radar se utilizan para mapear topografía, identificar sitios de muestreo seguros, y rastrear la posición de la estrella relativa al cuerpo. Para asteroides muy pequeños, el campo de navegación gravitacional es débil e irregular, haciendo la determinación de órbita

Tecnologías de muestreo

El método elegido para la recogida de muestras depende en gran medida de la naturaleza del objetivo y del tipo de material deseado. A continuación se presentan las principales estrategias de muestreo que se han volado o están en desarrollo:

  • Muestra de toc-and-Go (TAG): Esta técnica, utilizada por el Hayabusa2 de OSIRIS-REx y JAXA de la NASA, implica la nave espacial descendiendo a la superficie, haciendo breve contacto y luego retrocediendo inmediatamente. Una cabeza de muestra (a menudo un dispositivo que dispara una explosión de gas de nitrógeno para la captura de la superficie de filtración inestable
  • Mecanismos de perforación para muestras subsuperficiales: Para las misiones que requieren material desde debajo de la capa de superficie templada, se puede desplegar un taladro rotativo o percusión. La perforación es más compleja que la TAG porque requiere anclaje a la superficie para reaccionar el par de taladro. Hayabusa de JAXA utilizó un pequeño proyecto lanzado en la superficie para crear un cráter
  • ]Contamination Prevention Systems: Todos los mecanismos de muestreo deben diseñarse para minimizar la contaminación, lo que incluye el uso de materiales con baja sobrecarga, manteniendo las vías de muestra limpias y sellando el contenedor de muestra inmediatamente después de la adquisición. Muchas misiones utilizan un mecanismo de tapa de doble sello o unas servas flexibles que se colapsan para sellar el contenedor.
  • Estaciones para el Regolato de Loose e Hielo: Para los cometas, donde la superficie puede consistir en una mezcla de polvo, hielo y compuestos orgánicos, los mecanismos de muestreo deben acomodar una gama de propiedades mecánicas. Los dispositivos que se deslizan, cepillan o usan atracción electrostática han sido considerados para futuras misiones.

Control térmico para entornos extremos

El manejo térmico es un controlador de diseño crítico. La nave espacial debe mantener sus componentes internos dentro de rangos de temperaturas operativas mientras se expone al entorno térmico extremo del espacio profundo y la proximidad del cuerpo objetivo. Control térmico pasivo mediante aislamiento multicapa (MLI), radiadores y tubos de calor se complementa con calentadores activos y, en algunos casos, criocopadores para instrumentos que requieren bajas temperaturas.

Sistemas de retorno y reingreso de muestras

La pierna de retorno de la misión es posiblemente la más desgarradora de los nervios. La nave espacial debe desvincular una cápsula de reentrada que contiene la muestra, luego realizar una maniobra de deflexión para asegurar que la cápsula entre en la atmósfera de la Tierra en el ángulo correcto y la velocidad. La cápsula debe estar equipada con un escudo de calor capaz de sobrevivir temperaturas superiores a 2000 comprimidos#176;C durante la entrada atmosférica.

Confiabilidad y redecuancia

Debido a la larga duración y las grandes apuestas de las misiones de retorno de muestras, la ingeniería de fiabilidad es primordial. Los subsistemas críticos son a menudo duplicados (procesadores de redundantes, transmisores, propulsores). Sin embargo, las limitaciones de masa impiden la duplicación completa de cada componente, por lo que se realiza un análisis de compensación de asteroides para identificar fallas de un solo punto y mitigarlos mediante el diseño.

Ejemplos de misiones pasadas y futuras

La comunidad de ingeniería ha adquirido una experiencia inestimable de las misiones que ya han volado. Cada misión ha empujado el estado del arte en áreas específicas.

Stardust de la NASA (Comet 81P/Wild 2)

Lanzado en 1999, Stardust fue la primera misión de devolver material extraterrestre desde fuera del sistema Earth-Moon. Utiliza un coleccionista lleno de aerogel para capturar partículas de polvo cometario durante un flyby de alta velocidad de Wild 2. La cápsula de retorno de muestra regresó a la Tierra en 2006. Stardust demostró la viabilidad de la recolección de partículas hipervelocidad sin destruir las partículas, y su tecnología aerogel ha informado subsiguientes diseños de muestreadores.

Hayabusa y Hayabusa2 de JAXA (Asteroids Itokawa y Ryugu)

Las operaciones de JAXA Hayabusa (2003-2010) fueron un rastreador que superó los graves problemas técnicos, incluyendo una reacción fallida problemas de ruedas y motores, para devolver una muestra minúscula de Itokawa. Valió la propulsión ion para el espacio profundo y el uso de muestreo artificial de TAG. Su sucesor, Hayabusa2 (2014-2020), trajo una muestra mucho mayor (más de 5 gramos) de impacto autónomo de la ARMAS

OSIRIS-REx de la NASA (Asteroid Bennu)

OSIRIS-REx, que lanzó en 2016, realizó un muestreo TAG en Bennu en 2020 y está programado para entregar su muestra en 2023. Bennu es un asteroide de escombros con una superficie muy resistente, obligando a la misión a evaluar cientos de sitios potenciales de muestreo. La nave espacial utilizó un TAGSAM (Touch-And-Go Sample Acquisición de cámara) que disparó gas nitrógeno para localizar un estándar de navegación.

Futuros Misiones en el Horizonte

Varias misiones de retorno de muestras están en fase de desarrollo o concepto. La misión de ESA Hera, mientras que principalmente una misión de defensa planetaria, visitará el sistema binario de Didymos y desplegará CubeSats para observaciones cercanas. El complejo de JAXA Martian Moons eXploration (MMX) es una misión de retorno de muestras dirigida a Phobos, la luna más grande de Marte.

La creación de naves espaciales para las misiones de retorno de muestras es un proceso continuo de aprendizaje. Cada misión revela nuevas complejidades sobre la diversidad de cuerpos pequeños y la resistencia necesaria para operar en sus entornos. A medida que la comunidad se mueve hacia objetivos más ambiciosos, incluyendo cometas y encuentros de múltiples cuerpos, los desafíos de ingeniería sólo crecerán. Pero las recompensas científicas de volver material prístino a los laboratorios de la Tierra siguen siendo el más poderoso motivador para este trabajo.

Para mayor profundidad técnica en misiones específicas, los lectores pueden explorar las páginas de la misión en sitio OSIRIS-REx deNASA, la página JAXA Hayabusa2 del proyecto y el sitio web de la misión MMX.