noviembre 27, 2022

Las misiones planetarias chinas Tianwen 2 y Tianwen 3: trayendo a la Tierra muestras de Marte y de un asteroide cercano

Mientras la sonda Tianwen 1 y su rover Zhurong siguen explorando Marte, China continúa concretando sus planes de misiones planetarias. El pasado abril se hizo público que las próximas misiones serán la Tianwen 2 y la Tianwen 3. El país asiático ha decidido rebautizar el proyecto de sonda para traer muestras de asteroides, antes conocido como Zheng He, con el nombre de Tianwen 2, mientras que la misión de retorno de muestras de Marte, que se suponía iba a ser la Tianwen 2, pasa a ser la Tianwen 3, probablemente en un intento de unificar todos los proyectos de misiones planetarias bajo la ‘marca’ Tianwen (天问, ‘cuestiones celestiales’). Hace poco, y aprovechando las charlas organizadas por el 120º aniversario de la Universidad de Nanjing, pudimos conocer más detalles de estas sondas que prometen hacer avanzar el programa espacial chino de forma significativa. En el caso de la Tianwen 3, recordemos que esta misión debe adelantarse a programa MSR de NASA y ESA a la hora de traer a la Tierra las primeras muestras del planeta rojo por dos años.

La sonda Tianwen 2 traerá muestras del asteroide Kamoʻoalewa y orbitará el cometa-asteroide Elst-Pizarro (Weibo/Najing University).

Empecemos con la Tianwen 2. Antes conocida como Zheng He (郑和), la misión no ha cambiado sus objetivos y traerá a la Tierra muestras de Kamoʻoalewa (2016HO3), un asteroide cuasi-satélite de nuestro planeta, antes de continuar hacia el cuerpo menor Elst-Pizarro, un objeto tremendamente interesante debido a su naturaleza híbrida cometa-asteroide. Tianwen 2 despegará en 2025 —un año más tarde de lo planeado, aunque aparentemente todavía no se ha descartado totalmente un lanzamiento en 2024— mediante un cohete CZ-3B. La sonda incluye un par de paneles circulares de 4,7 metros de diámetro, similares a los empleados por la NASA en la nave Orión o la sonda Lucy, por ejemplo (será la primera sonda china con este tipo de paneles). La misión de ida y vuelta hasta Kamoʻoalewa durará entre tres años y dos años y medio, dependiendo de la fecha de lanzamiento. Kamoʻoalewa es un pequeño cuerpo con un diámetro de entre 40 y 100 metros, por lo que se convertirá en el asteroide más pequeño visitado por un artefacto humano. A pesar de sus reducidas dimensiones, Kamoʻoalewa es un objeto muy atractivo al tratarse de uno de los cuasi-satélites de nuestro planeta. El análisis de sus muestras permitirá dilucidar su origen —y, por extensión, el de otros cuasi-satélites—, ya que algunas teorías proponen que se formó a partir de un impacto contra la Luna.

Esquema de misión de la Tianwen 2 (Weibo/Nanjing University).
Fase de aproximación de la Tianwen 2 a Kamo’oalewa (Weibo/Nanjing University).

Como ya nos han demostrado las sondas Hayabusa, Hayabusa 2 y OSIRIS-REx, recoger muestras de un asteroide es un proceso complejo precisamente por la baja gravedad. En vez de un aterrizaje, la maniobra se asemeja más a un acoplamiento con una pila de rocas flotantes, por lo que el riesgo de dañar la nave en el proceso es muy alto. La Tianwen 2 comenzará la aproximación a Kamoʻoalewa unos treinta mil kilómetros de distancia. A dos mil kilómetros comenzará la fase final con una velocidad de 2 m/s. Sin embargo, y aquí viene la novedad, la sonda no recogerá las muestras en una maniobra de contacto breve seguida de una retirada rápida (touch and go), sino que se posará en el asteroide usando un tren de aterrizaje dotado de sistemas de ‘anclaje’, una técnica más parecida a la que intentó la subsonda Philae en el cometa Churyumov-Gerasimenko que las empleadas en los asteroides Itokawa, Ryugu y Bennu. Hasta hace unos meses se estaban estudiando al mismo tiempo esta técnica de recogida de muestras junto con la tradicional de touch and go ya conocida. En función de la morfología y estado de la superficie de Kamoʻoalewa probablemente se use una técnica o ambas.

Fases finales de aproximación y aterrizaje (Weibo/Nanjing University).
Detalle del sistema de recogida de muestras del regolito propuesto para la misión china Zheng He, con una «rueda» que levanta el regolito (9ifly).
Opciones de Tianwen 2 para recoger muestras: la sonda aterrizará o tocará brevemente la superficie, como Hayabusa 2 o OSIRIS-REx (probablemente se hará un intento en cada configuración, dependiendo de los lugares de aterrizaje). Se aprecia el brazo robot con el sistema de recogida (Tao Zhang, Kun Xu y Xilun Ding / Nature Astronomy).

La Tianwen 2 se dirigirá entonces hacia la Tierra y soltará una cápsula de 0,75 metros de diámetros con entre 0,2 y 1 kg de muestras de Kamoʻoalewa, que reentrará en la atmósfera terrestre a 12,1 km/s. La cápsula usará un paracaídas supersónico para frenar su descenso —un desafío tecnológico— y se prevé que sea capturada en el aire mediante un helicóptero para evitar cualquier posibilidad de contaminación. La Tianwen 2 utilizará la gravedad de la Tierra para dirigirse luego a Elst-Pizarro. Después de un viaje de siete años, la Tianwen 2 se colocará en órbita alrededor de este cuerpo menor y lo estudiará durante el transcurso de un año, como mínimo. Con una órbita comprendida entre los 398 y 555 millones de kilómetros, Elst-Pizarro será el objeto más lejano explorado por una sonda china, al menos hasta que la sonda que despegará en 2034 llegue a Júpiter.

La sonda de aterrizaje de la misión Tianwen 3, que llevará el cohete para poner las muestras marcianas en órbita del planeta rojo (Weibo/Nanjing University).
Orbitador de retorno para capturar las muestras en órbita de Marte y traerlas a la Tierra. Se aprecia la cápsula para las muestras y el sistema de recogida del contenedor (Weibo/Nanjing University).

Con respecto a la misión de retorno de muestras de Marte, la Tianwen 3, recordemos que en realidad se trata de dos sondas. Una aterrizará en Marte, recogerá las muestras y las situará en órbita mediante un cohete, mientras que la otra viajará hasta la órbita marciana, capturará el contenedor con las muestras y las traerá a la Tierra. El orbitador debe despegar en noviembre de 2028 y regresar a la Tierra en julio de 2031, mientras que para la sonda de aterrizaje se estudian dos escenarios: un lanzamiento en mayo de 2028 o bien en diciembre de ese mismo año. En el primer caso, la sonda aterrizaría en Marte en julio de 2030, mientras que en el segundo lo haría en agosto de 2029. En un principio estaba previsto que la sonda de aterrizaje y el orbitador de retorno se lanzasen, o bien juntas empleando un cohete gigante CZ-9, o bien mediante un CZ-3B y un CZ-5, respectivamente. No obstante, ahora parece que el esquema preferido pasa por utilizar dos CZ-5, posiblemente debido al aumento en masa y complejidad de la sonda de aterrizaje.

Esquema de la misión Tianwen 3, formada por dos sondas (Weibo/Nanjing University).
Diseño anterior de la Tianwen 3

Como ya sabíamos, el orbitador de retorno empleará el mismo diseño del orbitador de la sonda Tianwen 1. Eso sí, el diseño de la cápsula ha sufrido cambios y ya no será similar a la de la Chang’e 5 y futura Chang’e 6 —a su vez un modelo a escala de la cápsula Shenzhou—, sino que tendrá forma cónica, como el de la Tianwen 2 (y parecido al de la nave tripulada de nueva generación). Sin duda, un diseño más adecuado para la entrada atmosférica a altas velocidades. El cambio demuestra que China no tiene miedo a desarrollar desde cero un nuevo tipo de cápsula a pesar de que eso suponga prescindir de la experiencia acumulada con el proyecto Chang’e 5. También hemos podido ver detalles adicionales del elemento más crítico de la misión, la sonda de aterrizaje. Esta sonda usará una etapa orbital simplificada en vez del bus de la Tianwen 1 o el orbitador de retorno, ya que no entrará en órbita de Marte. Usará un escudo térmico y una etapa de descenso derivados de la Tianwen 1, a pesar de que en los bocetos iniciales se presentó con un escudo térmico más parecido al de Perseverance y Curiosity (evidentemente, aquí sí que no tiene sentido prescindir de la experiencia de la Tianwen 1). También se ha confirmado que esta sonda dispondrá de un doble sistema de recogida de muestras basado en el de la Chang’e 5, consistente en un taladro para extraer muestras a una profundidad de varios metros y un brazo robot para recoger rocas y regolito superficial.

Calendario de las sondas Tianwen 3 en función de los dos escenarios para el lanzamiento de la sonda de aterrizaje. En ambos casos las muestras llegarán a la Tierra en julio de 2031 (Weibo/Nanjing University).
Trayectorias para la sonda de aterrizaje en función de la fecha de lanzamiento (Weibo/Nanjing University).
Calendario de la misión MSR de NASA/ESA. Las muestras marcianas llegarán a finales de 2033 (NASA).

Sin embargo, la mayor pega de esta misión, sobre todo comparada con la MSR de NASA/ESA, es la dependencia de una plataforma de aterrizaje fija que impide la selección de las muestras de mayor interés científico. La inclusión de un rover parece que queda fuera de discusión por el aumento de masa y complejidad de la sonda, pero se está estudiando la viabilidad de añadir algún vehículo móvil que pueda recoger muestras, como por ejemplo un robot similar a los construidos por Boston Dynamics (!). Al mismo tiempo, ahora sabemos que el diseño del cohete de ascenso no se ha elegido todavía, algo lógico si tenemos en cuenta que la propia NASA optó por un cohete MAV de combustible sólido apenas hace unos meses. Se están estudiando dos diseños de cohete, uno de combustible sólido y otro de combustible líquido, ambos de dos etapas. Al igual que en el caso de la misión MSR, los principales desafíos son, por un lado, mantener la temperatura adecuada de los propergoles del cohete en un entorno gélido como es Marte y, por otro lado, el método de lanzamiento y los sistemas de guiado y navegación, que deben ser muy compactos y fiables.

Taladro para recoger muestras (izquierda) y propuesta de pequeño robot para obtener muestras lejos de la sonda (Weibo/Nanjing University).
Opciones de cohete de dos etapas para colocar las muestras en órbita que se están estudiando. A la izquierda, el diseño de combustible sólido. A la derecha, el de combustible líquido (Weibo/Nanjing University).

Con suerte, la cápsula con las muestras de Marte de la Tianwen 3 aterrizará en julio de 2031, dos años antes de que la misión MSR de NASA y ESA haga lo propio. Si China consigue ganar esta ‘carrera’ por las primeras muestras marcianas, será un éxito rotundo, sobre todo después de la enorme inversión en tiempo y dinero de las dos agencias espaciales occidentales.

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