¿Por qué no hemos devuelto muestras de Marte?

Tú mismo lo dijiste cuando mencionaste el peso. Hasta ahora, logramos aterrizar suavemente aproximadamente dos toneladas métricas en Marte de una sola vez, si contamos tanto el rover Curiosity como su sistema de aterrizaje Sky Crane (el Curiosity en sí tiene una masa de aproximadamente una tonelada métrica, pero tanto el rover como el Sky Crane en realidad alcanzó una velocidad vertical cercana a cero con respecto a la superficie marciana antes de que se lanzara el rover). Ahora considere cuánta masa se necesitaría para lanzar también algo de regreso.

Desde la superficie de Marte, el delta-v requerido para lanzar algo en órbita es aproximadamente la mitad del requerido para lanzar algo desde la Tierra a la órbita terrestre baja, por lo que ~ 6 km/s (su kilometraje puede variar, dependiendo de la altitud, latitud,... .). Una vez en la órbita de Marte, necesita ~ 3 km/s adicionales para lanzar algo a la órbita de transferencia de Hohmann más eficiente energéticamente hacia la Tierra. Así que necesitaríamos un sistema de lanzamiento capaz de alcanzar aproximadamente 9 km/s en probablemente dos o más etapas. Con solo la etapa necesaria en la superficie, sigue siendo un cohete, incluso si la carga útil es bastante pequeña. Dependiendo de su rendimiento (por ejemplo , impulso específicode propulsores utilizados), su masa sería más de 100 veces la que hasta ahora logramos aterrizar en Marte de una sola vez, si luego se acopla con una etapa orbital para devolver la cápsula con muestras a la Tierra.

Tenga en cuenta que incluso el próximo Mars 2020 Rover solo almacenará muestras ( ese es el plan hasta ahora ), y podrían recuperarse o no para su lanzamiento a la Tierra. Me temo que es demasiado difícil traer muestras de Marte a la Tierra, y realmente no tenemos la tecnología necesaria en este momento. Cuando se trata de muestras de Marte, por el momento, estamos atascados con meteoritos que se ha establecido que provienen de Marte , o analizándolos allí, in situ , con sondas, módulos de aterrizaje y rovers, y observaciones remotas con orbitadores. y misiones de sobrevuelo.

Algunos comentarios adicionales:

Gran parte de la masa que debe aterrizar en Marte podría reducirse con la producción in situ de propelentes (lo que comúnmente se conoce como ISRU - Utilización de recursos in situ), tal vez solo el oxidante por electrólisis de la atmósfera para extraer oxígeno como el MOXIE(Experimento Mars Oxygen ISRU) en el Mars 2020 Rover intentará demostrar a pequeña escala, lo que constituiría más de dos tercios de la masa de una etapa líquida de hidrógeno y oxígeno, y parece mucho más simple de hacer que encontrar y purificar fuentes de hidrógeno. para combustibles para cohetes sin infraestructura allí para hacer eso. Pero incluso eso todavía significa aterrizar mucha más masa de la que sabemos actualmente, y retener hidrógeno como combustible o un componente del combustible, que, debido a que está en moléculas diminutas y no aprecia particularmente el ciclo térmico, realmente le gusta purgarse. a través de paredes ligeras y delgadas de tanques de propulsor de cohetes. Tal vez el uso de hidrógeno importado para producir combustibles de hidrocarburos con el carbono de la atmósfera mayoritariamente de dióxido de carbono, como el metano, mejoraría la vida útil .y mejorar el rendimiento de tales etapas de cohetes a pesar de un impulso específico más bajo mejor que proteger el hidrógeno líquido criogénico contra la radiación térmica y, al mismo tiempo, reducir la masa aterrizada.

NASA/JPL (y Mark Adler, que le proporcionó una respuesta aquí como su director de proyecto) están desarrollando actualmente LDSD (desacelerador supersónico de baja densidad) que podría desacelerar más masa hasta velocidades transónicas con los paracaídas supersónicos y el SIAD (desacelerador aerodinámico inflable supersónico). ) partes sin gastar propulsores adicionales para esa parte de Entrada, Descenso y Aterrizaje (EDL), pero eso aún no está en el nivel de preparación tecnológica suficiente y el desarrollo del paracaídas supersónico se ha topado con un obstáculo ahora dos veces durante las pruebas y aún tiene que demostrar un despliegue exitoso.

Las técnicas de aterrizaje retropulsivo también se están desarrollando hasta cierto punto; El presupuesto de la NASA es pequeño para eso en este momento, por lo que es principalmente el trabajo de los estudiantes en el Proyecto Morpheus, muy barato, que está empujando el sobre VTVL con tecnologías como la Tecnología Autónoma para Evitar Peligros de Aterrizaje (ALHAT) y, por supuesto, SpaceX está dando grandes pasos hacia el aterrizaje. etapas de cohetes completas de manera propulsiva, y una gran parte de lo que están haciendo ahora en la Tierra es exactamente lo que se necesita para aterrizar una etapa de cohete en Marte también (y la NASA está extremadamente interesada no solo porque es uno de sus proveedores de lanzamiento) .

Por supuesto, también necesitaremos cohetes más grandes, o muchos de los que tenemos ahora y practicaremos una vez más el ensamblaje orbital, incluso para enviar primero esa cantidad de masa hacia Marte.

Entonces, para concluir, hay mucha tecnología que aún debe desarrollarse y llevarse al nivel de preparación tecnológica requerido, por lo que estamos seguros de que esto es factible desde un punto de vista técnico. Y eso ni siquiera aborda los aspectos políticos y financieros (ver la respuesta de Mark Adler). Pero sin duda sería un paso de aprendizaje bienvenido antes de que enviemos una muestra que traiga astronautas a Marte y regrese, si pudiéramos poner a prueba gran parte de la tecnología necesaria para hacer eso primero en una misión robótica. Sin embargo, tal vez optemos por un camino diferente y establezcamos presencia en los dos satélites de Marte, Phobos y Deimos, los usemos como escenario y aprendamos a producir propulsores allí. ¿Quién sabe? Tenemos un largo camino por recorrer.

Dinero. Compromiso. Confianza. Cantidades insuficientes de esos tres son la razón por la que aún no hemos devuelto muestras de Marte.

Ciertamente hay motivación. La última encuesta decenal de ciencia planetaria, Visions and Voyages , donde la comunidad científica se reúne y decide las prioridades, calificó como su principal prioridad de misión insignia, la primera de tres misiones para lograr Mars Sample Return, donde esa misión ahora se conoce como Mars 2020. Tiene el trabajo de seleccionar y recolectar cuidadosamente núcleos de roca y otras muestras de la superficie marciana durante aproximadamente tres años, para su eventual regreso a la Tierra más adelante en la década. ("Regresar" es probablemente la palabra incorrecta aquí, a menos que hayamos elegido las muestras incorrectas, ciertamente no vinieron de la Tierra, pero de todos modos, "regresar" es la palabra que todos usan después de "muestra de Marte").

Incluso si la NASA se compromete con la misión Mars 2020 (que podría ser en un futuro cercano), la NASA no se comprometerá en ese momento con las dos misiones posteriores que serían necesarias para transportar las muestras recolectadas a la Tierra. La misión Mars 2020 fue concebida para tener una capacidad de investigación in situ muy robusta y novedosa que justificaría la misión incluso si las muestras nunca se recogen.

Si las misiones subsiguientes continúan, una de ellas sería un módulo de aterrizaje con un rover de búsqueda para ir a buscar las muestras recuperadas y un vehículo de ascenso a Marte (un cohete) para lanzar las muestras recuperadas a una órbita baja de Marte. La otra misión sería un orbitador de Marte que se encuentre y capture el contenedor de muestras en órbita y luego salga de la órbita de Marte, regrese a la Tierra (allí funciona el "retorno") y, como se concibe actualmente, envíe las muestras a la superficie de la Tierra en un pequeño vehículo de entrada. Cada una de esas misiones es de la clase insignia, que dominaría el presupuesto de ciencia planetaria durante una década o más.

El costo en el contexto del presupuesto planetario de la NASA es desalentador. Además, la capacidad de estimar el costo de tal esfuerzo frente a todos los desafíos técnicos significativos es limitada. Existe una preocupación justificada sobre la magnitud del riesgo de costo , incluso si inicialmente el costo se considera aceptable. Ahí es donde entra el déficit de confianza. No tanto por la falta de confianza en que funcione —ahí siempre tenemos que aceptar algún riesgo, y sabemos cómo mitigarlo—, sino por la falta de confianza en nuestra capacidad para limitar sobrecostos de presupuesto y cronograma a un nivel razonable para una tarea técnica sin precedentes. (Ver el telescopio espacial James Webb).

Las asociaciones internacionales podrían mitigar el costo, pero finalmente se abandonaron dos intentos a fines de la década de 1990 y fines de la década de 2000. Tal vez debamos intentar patear esa pelota de fútbol otra vez.

El costo y el riesgo de costo, además de la escala de tiempo muy larga de las inversiones durante más de una década con una rentabilidad limitada a menos y hasta que tenga éxito al final de la campaña (más tiempo que cualquier administración), ha llevado a una falta de compromiso. to Mars Sample Return en el liderazgo del gobierno de los EE. UU., incluida la Casa Blanca y la Oficina de Administración y Presupuesto.

Sería la fracción dominante del presupuesto planetario total durante más de una década, donde incluso esa fracción podría no ser suficiente, por lo que es difícil para un gobierno que trabaja en la incertidumbre de financiamiento año tras año comprometerse con algo así donde la recompensa no llega hasta el final. Todavía hay esperanza de que esto pueda lograrse algún día, una misión a la vez. Una vez que tenemos muestras en la superficie listas para ser recogidas, tenemos más motivación por delante y más costos detrás de nosotros.

En cuanto a la tecnología, hay tiempo para desarrollar lo que se necesita incluso si hubiera un compromiso hoy para desarrollar y lanzar las tres misiones en serie, retomando la próxima misión a medida que la cuña de financiación de la anterior comienza a disminuir. Nada en la misión es insuperable. Los mayores desafíos se encuentran en el área de la protección planetaria, que impactan en cada fase de la misión, desde la recolección de muestras hasta la entrada a la Tierra. Algunos de esos desafíos de protección planetaria ya están siendo abordados por la misión Mars 2020, al igual que el importante desafío de recolectar núcleos de roca intactos. El encuentro y captura orbital y el vehículo de ascenso a Marte son desafíos de ingeniería, no nueva tecnología. En general, hay una toneladade trabajo por hacer, pero no hay obstáculos aparentes siempre que haya flexibilidad en los requisitos. Esto puede suceder, pero solo si hay un compromiso serio y dinero para acompañarlo.