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Misión humana a Marte

Concepto para una base en Marte, con vivienda de hielo , vehículo explorador presurizado y trajes espaciales para Marte , 2016 La idea de enviar humanos a Marte ha sido objeto d...

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Concepto para una base en Marte, con vivienda de hielo , vehículo explorador presurizado y trajes espaciales para Marte , 2016

La idea de enviar humanos a Marte ha sido objeto de estudios científicos y de ingeniería aeroespacial desde finales de la década de 1940 como parte de la exploración más amplia de Marte . [ 1 ] Las propuestas a largo plazo han incluido el envío de colonos y la terraformación del planeta . Actualmente, solo han estado en Marte módulos de aterrizaje robóticos , vehículos exploradores y un helicóptero . Hasta 2026, lo más lejos que han estado los humanos más allá de la Tierra es la Luna y sus alrededores, con los vuelos lunares del programa Apolo de 1968 a 1972 y el sobrevuelo lunar Artemis II en 2026, ambos operados por la NASA .

Las propuestas conceptuales para misiones que implicarían vuelos espaciales tripulados comenzaron a principios de la década de 1950, y se esperaba que las misiones planificadas tuvieran lugar entre 10 y 30 años después de su redacción. [ 2 ] La lista de planes de misiones tripuladas a Marte muestra las propuestas presentadas por múltiples organizaciones y agencias espaciales en este campo de la exploración espacial . Estos planes han variado, desde expediciones científicas, en las que un pequeño grupo (entre dos y ocho astronautas ) visitaría Marte durante un período de algunas semanas o más, hasta una presencia continua (por ejemplo, a través de estaciones de investigación , colonización u otra habitación continua). Algunos también han considerado explorar las lunas marcianas Fobos y Deimos . [ 3 ] Para 2020, también se habían propuesto visitas virtuales a Marte, utilizando tecnología háptica . [ 4 ]

Mientras tanto, la exploración no tripulada de Marte ha sido un objetivo de los programas espaciales nacionales durante décadas, y se logró por primera vez en 1965 con el sobrevuelo de Mariner 4. Las misiones humanas a Marte han sido parte de la ciencia ficción desde la década de 1880, y más ampliamente, en la ficción , Marte es un objetivo frecuente de exploración y colonización en libros, novelas gráficas y películas . El concepto de un marciano como un ser que vive en Marte es parte de la ficción. Las propuestas para misiones humanas a Marte han venido de agencias como la NASA, la Agencia Espacial Europea , la CNSA , Boeing , SpaceX y grupos de defensa espacial como la Mars Society y The Planetary Society .

Viaje a Marte

La distancia mínima entre las órbitas de Marte y la Tierra desde 2014 hasta 2061, medida en unidades astronómicas.

La energía necesaria para la transferencia entre órbitas planetarias, o delta-v , es mínima en intervalos fijados por el período sinódico . Para los viajes Tierra - Marte , el período es de 26 meses (2 años y 2 meses), por lo que las misiones suelen planificarse para que coincidan con uno de estos períodos de lanzamiento . Debido a la excentricidad de la órbita de Marte , la energía necesaria en los períodos de baja energía varía en un ciclo aproximado de 15 años [ 5 ], y los períodos más fáciles requieren solo la mitad de la energía de los picos. [ 6 ] En el siglo XX, existió un mínimo en los períodos de lanzamiento de 1969 y 1971 y otro bajo en 1986 y 1988, luego el ciclo se repitió. [ 5 ] El último período de lanzamiento de baja energía ocurrió en 2023. [ 7 ]

Se han propuesto varios tipos de planes de misión, incluyendo clase oposición y clase conjunción, [ 6 ] o el sobrevuelo Crocco . [ 8 ] La transferencia de energía más baja a Marte es una órbita de transferencia de Hohmann , una misión de clase conjunción que implicaría un tiempo de viaje de aproximadamente 9 meses desde la Tierra a Marte, unos 500 días (16 meses) en Marte para esperar la ventana de transferencia a la Tierra, y un tiempo de viaje de aproximadamente 9 meses para regresar a la Tierra. [ 9 ] [ 10 ] Esto sería un viaje de 34 meses. 

Los planes de misiones a Marte más cortas tienen tiempos de vuelo de ida y vuelta de 400 a 450 días, [ 11 ] o menos de 15 meses para una expedición de clase oposición, pero requerirían una cantidad de energía significativamente mayor. Una misión rápida a Marte de 245 días (8,0 meses) de ida y vuelta podría ser posible con etapas en órbita. [ 12 ] En 2014, se propuso la captura balística , que podría reducir el costo del combustible y proporcionar ventanas de lanzamiento más flexibles en comparación con el Hohmann. [ 13 ]

Tres vistas de Marte, Telescopio Espacial Hubble , 1997

En la gran gira Crocco, una nave espacial tripulada realizaría un sobrevuelo de Marte y Venus en menos de un año en el espacio. [ 14 ] Algunas arquitecturas de misiones de sobrevuelo también pueden ampliarse para incluir un estilo de aterrizaje en Marte con una nave de aterrizaje de excursión de sobrevuelo. [ 15 ] Propuesta por R. Titus en 1966, implicaba un vehículo de ascenso y aterrizaje de corta estancia que se separaría de una nave de transferencia Tierra-Marte "madre" antes de su sobrevuelo de Marte. El módulo de aterrizaje de ascenso-descenso llegaría antes y entraría en órbita alrededor de Marte o aterrizaría, y, dependiendo del diseño, ofrecería quizás entre 10 y 30 días antes de tener que lanzarse de nuevo al vehículo de transferencia principal. [ 15 ] (Véase también Sobrevuelo de Marte ).

En la década de 1980, se sugirió que el frenado aerodinámico en Marte podría reducir hasta a la mitad la masa necesaria para una misión tripulada a Marte que despegara de la Tierra. [ 16 ] Como resultado, las misiones a Marte han diseñado naves espaciales interplanetarias y módulos de aterrizaje capaces de realizar frenado aerodinámico. [ 16 ]

Aterrizaje en Marte

Las imágenes insertadas muestran el proceso de observación y análisis para encontrar un lugar de aterrizaje seguro.

Varias naves espaciales no tripuladas han aterrizado en la superficie de Marte, mientras que algunas, como Beagle2 (2003) y Schiaparelli EDM (2016), no lograron un aterrizaje exitoso, considerado difícil. Entre los éxitos:

Captura orbital

Cuando una expedición llega a Marte, se requiere frenado para entrar en órbita. Hay dos opciones disponibles: cohetes o aerocaptura . La aerocaptura en Marte para misiones tripuladas se estudió en el siglo XX. [ 17 ] En una revisión de 93 estudios sobre Marte, 24 utilizaron aerocaptura para el regreso a Marte o a la Tierra. [ 17 ] Una de las consideraciones para usar la aerocaptura en misiones tripuladas es un límite en la fuerza máxima que experimentan los astronautas. El consenso científico actual es que 5 g, o cinco veces la gravedad terrestre, es la desaceleración máxima permitida. [ 17 ]

Trabajo de encuesta

Para realizar un aterrizaje seguro se requiere conocer las propiedades de la atmósfera, observadas por primera vez por Mariner 4 , y realizar un estudio del planeta para identificar lugares de aterrizaje adecuados. Mariner 9 , Viking 1 y dos orbitadores, que dieron apoyo a los módulos de aterrizaje Viking , llevaron a cabo importantes estudios globales . Orbitadores posteriores, como Mars Global Surveyor , Mars Odyssey (2001) , Mars Express y Mars Reconnaissance Orbiter , han cartografiado Marte con mayor resolución gracias a instrumentos mejorados. Estos estudios posteriores han identificado las ubicaciones probables de agua, un recurso fundamental. [ 18 ]

Fondos

Enviar humanos a Marte será costoso. En 2010, una estimación rondaba los 500 mil millones de dólares estadounidenses, pero es probable que los costos reales sean mayores. [ 19 ] A partir de finales de la década de 1950, la fase inicial de la exploración espacial se llevó a cabo como una carrera espacial entre naciones aisladas, tanto para hacer una declaración política como para estudiar el Sistema Solar . Esto demostró ser insostenible, y el clima actual es de cooperación internacional, con grandes proyectos como la Estación Espacial Internacional y la propuesta Estación Lunar Gateway que están siendo construidos y lanzados por múltiples países.

Los críticos argumentan que el inmenso costo supera los beneficios inmediatos de establecer una presencia humana en Marte y que los fondos podrían redirigirse mejor hacia otros programas, como la exploración robótica. Los defensores de la exploración espacial tripulada sostienen que el simbolismo de establecer una presencia en el espacio puede despertar el interés público para unirse a la causa e impulsar la cooperación global. También se afirma que una inversión a largo plazo en viajes espaciales es necesaria para la supervivencia de la humanidad. [ 19 ]

Un factor que podría reducir el costo de enviar humanos a Marte es el turismo espacial . El crecimiento de este sector y los avances tecnológicos generarían economías de escala y, por lo tanto, un menor costo para los vuelos espaciales tripulados. Un concepto similar se puede analizar en la historia de las computadoras personales: cuando se utilizaban únicamente para la investigación científica, con un uso limitado en la gran industria, eran grandes, escasas, pesadas y costosas. Cuando el mercado potencial aumentó y comenzaron a popularizarse en las empresas y, posteriormente, en los hogares (en los países occidentales y desarrollados), la capacidad de procesamiento de los dispositivos domésticos se disparó y los precios se desplomaron. [ 20 ]

Médico

Comparación de dosis de radiación: incluye la cantidad detectada en un viaje de la Tierra a Marte por el RAD dentro del MSL (2011–2013). [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] El eje vertical está en escala logarítmica , por lo que la dosis durante un año marciano es aproximadamente 15 veces el límite del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), no menos del doble, como podría sugerir una rápida mirada. La dosis real dependería de factores como el diseño de la nave espacial y eventos naturales como las erupciones solares .

Existen varios desafíos físicos clave para las misiones humanas a Marte: [ 24 ]

Visión artística de una nave espacial que proporciona gravedad artificial mediante rotación (véase también Fuerza centrífuga ).
  • Pérdida de la función renal. El 11 de junio de 2024, investigadores del Departamento de Medicina Renal del University College de Londres informaron que "Surgen riesgos graves para la salud (con respecto a los riñones) cuanto más tiempo esté expuesta una persona a (la radiación galáctica y la microgravedad a las que estarían expuestos los astronautas durante una misión a Marte)". [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
  • Efectos adversos para la salud de la ingravidez prolongada , incluyendo pérdida de densidad mineral ósea [ 35 ] y deterioro de la visión . [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] (Depende de la misión y el diseño de la nave espacial). En noviembre de 2019, investigadores informaron que los astronautas experimentaron graves problemas de flujo sanguíneo y coagulación mientras estaban a bordo de la Estación Espacial Internacional, según un estudio de seis meses realizado con 11 astronautas sanos. Los resultados podrían influir en los vuelos espaciales de larga duración , incluyendo una misión al planeta Marte, según los investigadores. [ 39 ] [ 40 ]
  • Efectos psicológicos y sociológicos de los vuelos espaciales que implican un largo aislamiento de la Tierra y la falta de comunidad debido a la falta de una conexión en tiempo real con la Tierra (comparar con Hermit ).
  • Efectos sociales de que varios seres humanos vivan en condiciones de hacinamiento durante más de un año terrestre (posiblemente dos o tres años, dependiendo del diseño de la nave espacial y de la misión).
  • Falta de instalaciones médicas.
  • Posible fallo del sistema de propulsión o de los equipos de soporte vital.

Algunos de estos problemas se estimaron estadísticamente en el estudio HUMEX. [ 41 ] Ehlmann y otros han revisado las preocupaciones políticas y económicas, así como los aspectos de viabilidad tecnológica y biológica. [ 42 ] Si bien el combustible para el viaje de ida y vuelta podría ser un desafío, el metano y el oxígeno se pueden producir utilizando H₂O marciano ( preferiblemente como hielo de agua en lugar de agua líquida) y CO₂ atmosférico con tecnología suficientemente madura. [ 43 ]

Protección planetaria

Las naves espaciales robóticas que viajan a Marte requieren esterilización. El límite permitido es de 300 000 esporas en el exterior de las naves en general, con requisitos más estrictos para las naves espaciales destinadas a "regiones especiales" que contienen agua. [ 44 ] [ 45 ] De lo contrario, existe el riesgo de contaminar no solo los experimentos de detección de vida, sino posiblemente el planeta mismo. [ 46 ]

Esterilizar las misiones humanas a este nivel es imposible, ya que los humanos albergan típicamente cien billones (10¹⁴ ) de microorganismos de miles de especies de la microbiota humana , y estos no se pueden eliminar. La contención parece la única opción, pero representa un gran desafío en caso de un aterrizaje forzoso (es decir, un accidente). [ 47 ] Se han realizado varios talleres planetarios sobre este tema, pero aún no existen directrices definitivas para avanzar. [ 48 ] Los exploradores humanos también serían vulnerables a la contaminación de regreso a la Tierra si se convierten en portadores de microorganismos. [ 49 ]

Propuesta de misión

En las últimas siete décadas, se han propuesto o estudiado diversas arquitecturas de misión para los vuelos espaciales tripulados a Marte. Estas han incluido propulsión química , nuclear y eléctrica , así como una amplia variedad de metodologías de aterrizaje, habitabilidad y regreso.

Representación artística del ensamblaje previsto del módulo Orion/DSH/Módulo de Propulsión Criogénica.

Varias naciones y organizaciones tienen la intención a largo plazo de enviar seres humanos a Marte.

  • Estados Unidos cuenta actualmente con varias misiones robóticas que exploran Marte, con un retorno de muestras previsto para el futuro. El vehículo tripulado multipropósito Orion (MPCV) está diseñado para servir como vehículo de lanzamiento/amerizaje de la tripulación, con un módulo de hábitat de espacio profundo que proporciona espacio habitable adicional para el viaje de 16 meses. La primera misión tripulada a Marte, que incluiría el envío de astronautas a Marte, su órbita y el regreso a la Tierra, se propone para la década de 2030. [ 2 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] El desarrollo tecnológico para las misiones del gobierno estadounidense a Marte está en marcha, pero no existe un enfoque bien financiado para llevar el proyecto conceptual a su finalización con aterrizajes humanos en Marte para mediados de la década de 2030, el objetivo declarado. [ 53 ] Ingenieros financiados por la NASA están estudiando una forma de construir posibles hábitats humanos allí mediante la producción de ladrillos a partir de suelo marciano presurizado. [ 54 ]
  • La ESA tiene como objetivo a largo plazo enviar seres humanos al espacio, pero a octubre de 2024 aún no había construido una nave espacial tripulada. Envió sondas robóticas, como ExoMars , en 2016 y planeaba enviar la siguiente sonda en 2022, pero el proyecto se suspendió debido a la invasión rusa de Ucrania . [ 55 ] A noviembre de 2022 , tenía previsto enviar la sonda en 2028 con la ayuda de la NASA. [ 56 ]

Innovaciones tecnológicas y obstáculos

La NASA ha declarado que los robots prepararán una base subterránea para una misión tripulada en la superficie. [ 57 ]

Para que los vuelos espaciales tripulados a Marte sean posibles, es necesario superar importantes obstáculos tecnológicos.

La entrada en la delgada y poco profunda atmósfera marciana planteará dificultades significativas para la reentrada; en comparación con la atmósfera mucho más densa de la Tierra, cualquier nave espacial descenderá muy rápidamente a la superficie y deberá ser desacelerada. [ 58 ] Se debe utilizar un escudo térmico. [ 59 ] La NASA está llevando a cabo investigaciones sobre tecnologías de desaceleración retropropulsora para desarrollar nuevos enfoques para la entrada atmosférica de Marte. Un problema clave con las técnicas de propulsión es el manejo de los problemas de flujo de fluidos y el control de actitud del vehículo de descenso durante la fase de retropropulsión supersónica de la entrada y desaceleración. [ 60 ]

Una misión de regreso desde Marte requerirá el aterrizaje de un cohete para transportar a la tripulación fuera de la superficie. Los requisitos de lanzamiento implican que este cohete podría ser significativamente más pequeño que un cohete de la Tierra a la órbita. El lanzamiento de Marte a la órbita también puede realizarse en una sola etapa. A pesar de esto, el aterrizaje de un cohete de ascenso de regreso a Marte será difícil.

En 2014, la NASA propuso el Mars Ecopoiesis Test Bed. [ 61 ]

líquido intravenoso

Uno de los suministros médicos que podrían ser necesarios es una cantidad considerable de líquido intravenoso , que se compone principalmente de agua, pero contiene otras sustancias para poder añadirlo directamente al torrente sanguíneo. Si pudiera crearse in situ a partir de agua disponible, se reducirían los requisitos de masa. En 2010 se probó un prototipo de esta capacidad en la Estación Espacial Internacional. [ 62 ]

Dispositivo avanzado para ejercicios de resistencia

Una persona inactiva durante un período prolongado pierde fuerza, masa muscular y ósea. Se sabe que las condiciones de los vuelos espaciales provocan una disminución de la densidad mineral ósea en los astronautas, lo que aumenta el riesgo de fracturas. Los modelos matemáticos más recientes predicen que el 33 % de los astronautas correrán el riesgo de padecer osteoporosis durante una misión tripulada a Marte. [ 35 ] Se necesitaría un dispositivo de ejercicio de resistencia similar a un Dispositivo Avanzado de Ejercicio de Resistencia (ARED) en la nave espacial, pero este no contrarrestaría por completo la pérdida de densidad mineral ósea.

Gases respiratorios

Aunque los humanos pueden respirar oxígeno puro, normalmente se incluyen gases adicionales como el nitrógeno en la mezcla respiratoria. Una posibilidad es utilizar nitrógeno y argón in situ de la atmósfera de Marte , pero son difíciles de separar entre sí. [ 63 ] Como resultado, un hábitat en Marte podría utilizar un 40 % de argón, un 40 % de nitrógeno y un 20 % de oxígeno. [ 63 ]

Una idea para evitar que el dióxido de carbono contamine el aire respirable es utilizar depuradores de dióxido de carbono reutilizables con perlas de amina . [ 64 ] Mientras un depurador de dióxido de carbono filtra el aire del astronauta, el otro se ventila a la atmósfera de Marte. [ 64 ]

Cultivar alimentos
Representación de plantas que crecen en una base de Marte. La NASA planea cultivar plantas para la alimentación espacial . [ 65 ]

Si los humanos van a vivir en Marte, cultivar alimentos en Marte podría ser necesario, con numerosos desafíos asociados. [ 66 ] Hacer que el suelo sea útil para el cultivo de plantas utilizando el regolito marciano existente se ve dificultado por la falta de materia orgánica en el regolito y por la presencia de aproximadamente un 0,5 % de percloratos, una sal tóxica que dañaría la tiroides, los riñones y las células humanas en general. [ 67 ] El entorno también es demasiado frío y carece de agua, excepto posiblemente en los polos. [ 67 ]

En 2022, la NASA cofinanció una subvención plurianual de US$1,9 millones otorgada a la Universidad Estatal de Arizona , la Universidad de Arizona y el Instituto Tecnológico de Florida para explorar la idea de utilizar bacterias Dehalococcoides mccartyi , entre otros microbios, para reducir el contenido de perclorato y agregar material orgánico al regolito simulado de Marte. [ 68 ] D. mccartyi también descompone los percloratos en cloruro inocuo y oxígeno útil, además de dejar materia orgánica en el suelo como excreciones y cuando mueren, [ 68 ] de esta manera potencialmente resolver varios problemas a la vez.

Algunas misiones pueden considerarse una "Misión a Marte" en sí mismas, o pueden ser solo un paso en un programa más extenso. Ejemplos de ello son las misiones de sobrevuelo planetario , las misiones a las lunas de Marte y el estudio de los efectos del entorno marciano en los materiales de los trajes espaciales realizado por el rover Perseverance . [ 69 ]

Misiones a Deimos o Fobos

Muchos conceptos de misiones a Marte proponen misiones precursoras a las lunas de Marte, por ejemplo, una misión de retorno de muestras a Fobos, una luna de Marte [ 70 ] , que no es exactamente Marte, pero que podría ser un paso intermedio conveniente para una eventual misión a la superficie marciana. Lockheed Martin, como parte de su proyecto "Puntos de inflexión hacia Marte", denominado "Proyecto Rocas Rojas", propuso explorar Marte robóticamente desde Deimos. [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]

También se ha propuesto el uso de combustible producido a partir de recursos hídricos en Fobos o Deimos.

Misiones no tripuladas de retorno de muestras de Marte

Concepto de misión de devolución de muestras

Una misión de retorno de muestras de Marte sin tripulación (MSR) se ha considerado a veces como precursora de las misiones tripuladas a la superficie de Marte. [ 74 ] En 2008, la ESA calificó el retorno de muestras como "esencial" y dijo que podría cerrar la brecha entre las misiones robóticas y humanas a Marte. [ 74 ] Un ejemplo de una misión de retorno de muestras de Marte es la Recolección de Muestras para la Investigación de Marte . [ 75 ] El retorno de muestras de Marte fue la misión insignia de mayor prioridad propuesta para la NASA por el Estudio Decenal Planetario 2013-2022: El Futuro de la Ciencia Planetaria . [ 76 ] Sin embargo, tales misiones se han visto obstaculizadas por la complejidad y el costo, con una propuesta de la ESA que involucra no menos de cinco naves espaciales sin tripulación diferentes. [ 77 ]

Los planes de retorno de muestras suscitan la preocupación, por remota que sea, de que un agente infeccioso pueda ser traído a la Tierra. [ 77 ] No obstante, se ha establecido un conjunto básico de directrices para el retorno de muestras extraterrestres en función de la fuente de la muestra (por ejemplo, asteroide, Luna, superficie de Marte, etc.). [ 78 ]

En los albores del siglo XXI, la NASA diseñó cuatro posibles vías para las misiones humanas a Marte, [ 79 ] de las cuales tres incluían el regreso de muestras de Marte como requisito previo para el aterrizaje humano. [ 79 ]

El rover Perseverance , que aterrizó en Marte en 2021, está equipado con un dispositivo que le permite recolectar muestras de rocas para ser devueltas posteriormente por otra misión. [ 80 ] Perseverance , como parte de la misión Mars 2020 , fue lanzado en un cohete Atlas V el 30 de julio de 2020. [ 81 ]

misiones orbitales tripuladas

A partir de 2004, los científicos de la NASA propusieron explorar Marte mediante telepresencia desde astronautas humanos en órbita. [ 82 ] [ 83 ]

Una idea similar fue la misión propuesta "Exploración humana mediante operaciones robóticas en tiempo real". [ 84 ] [ 85 ]

Para reducir la latencia de las comunicaciones , que oscila entre 4 y 24 minutos, [ 86 ] se ha propuesto una estación orbital tripulada en Marte para controlar robots y aeronaves marcianas sin una latencia prolongada. [ 87 ]

Véase también

Referencias

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  • Misión de Referencia Versión 3.0, Anexo al Diseño de la Misión de Referencia 3.0 para la Exploración Humana de Marte
  • Expediciones a Marte, sobrevuelos y sobrevuelos seleccionados . Lista de los proyectos de misiones tripuladas más importantes a Marte.
  • Una bibliografía más extensa puede encontrarse en la bibliografía del libro de Portree, disponible en formato PDF en la NASA.