Retorno de muestras de Marte de la NASA y la ESA

En el verano de 2001, el Laboratorio de Propulsión a Chorro solicitó conceptos y propuestas de misión a equipos liderados por la industria ( Boeing , Lockheed Martin y TRW ). ^{[ 18 ]} Los requisitos científicos incluían al menos 500 gramos (18 oz) de muestras, movilidad del rover para obtener muestras a al menos 1 kilómetro (0,62 mi) del punto de aterrizaje y perforación para obtener una muestra de una profundidad de 2 metros (6 pies 7 pulgadas) . Ese invierno siguiente, el JPL hizo solicitudes similares a ciertos departamentos de ingeniería aeroespacial de universidades ( MIT y la Universidad de Michigan ).    

También en 2001, se realizó un conjunto separado de estudios de la industria para el vehículo de ascenso a Marte (MAV) debido a la singularidad y el papel clave del MAV para MSR. ^{[ 19 ]} La figura 11 en esta referencia resume la necesidad de realizar pruebas de vuelo del MAV a gran altitud sobre la Tierra, basándose en el análisis de Lockheed Martin de que el riesgo de falla de la misión es "extremadamente alto" si los componentes del vehículo de lanzamiento solo se prueban por separado.

En 2003, el JPL informó que los conceptos de la misión de 2001 eran demasiado costosos. Un estudio posterior arrojó un plan más asequible que fue aceptado por dos grupos de científicos: un nuevo Grupo Directivo Científico de MSR y el Grupo de Análisis del Programa de Exploración de Marte (MEPAG). ^{[ 20 ]} En lugar de un rover y perforación profunda, una pala en el módulo de aterrizaje excavaría 20 centímetros (7,9 pulgadas) de profundidad y colocaría varias muestras juntas en un contenedor. Después de cinco años de desarrollo tecnológico, el MAV sería probado en vuelo dos veces sobre la Tierra antes de la PDR (Revisión Preliminar del Diseño) de la misión en 2009. 

Según el plan de misión simplificado, que contempla un lanzamiento desde la Tierra en 2013, dos semanas en Marte y un regreso en 2016, se inició el desarrollo tecnológico para garantizar que los posibles microbios marcianos no contaminaran la Tierra y que las muestras de Marte no se contaminaran con materiales biológicos de origen terrestre. ^{[ 21 ]} El contenedor de muestras estaría limpio por fuera antes de partir de Marte, y se instalaría en el MAV dentro de un "garaje para MAV limpio para la Tierra".

En 2004, el JPL publicó una actualización del plan de 2003. ^{[ 22 ]} El MSR utilizaría el nuevo sistema de aterrizaje de grúa aérea grande en desarrollo para el rover del Laboratorio Científico de Marte (más tarde llamado Curiosity ). Se formó una Junta de Tecnología del MSR, y se señaló que el uso de un rover podría volver al plan del MSR, a la luz del éxito con los rovers Spirit y Opportunity que llegaron a principios de 2004. Un cohete de ascenso de 285 kilogramos (628 lb) transportaría 0,5 kilogramos (1,1 lb) de muestras dentro de una carga útil de 5 kilogramos (11 lb) , la Muestra Orbital (OS). El MAV transmitiría suficiente telemetría para reconstruir eventos en caso de falla en el camino hacia la órbita de Marte.   

En 2005, un rover había regresado al plan MSR, con un taladro de núcleo de roca, a la luz de los resultados de los descubrimientos del Mars Exploration Rover . ^{[ 23 ]} El desarrollo tecnológico enfocado comenzaría antes de finales de 2005 para la misión PDR en 2009, seguida del lanzamiento desde la Tierra en 2013. Las tecnologías relacionadas en desarrollo incluían posibles avances para la llegada a Marte (navegación y propulsión de descenso) e implementación de tecnología de vehículos de lanzamiento de líquido alimentados por bomba a una escala lo suficientemente pequeña para un MAV. ^{[ 24 ]}

A finales de 2005, un análisis revisado por pares mostró que las trayectorias de ascenso a la órbita de Marte diferirían dependiendo de si se utilizaba propulsión líquida o sólida, principalmente porque los pequeños motores de cohete de combustible sólido se queman más rápido, lo que requiere una trayectoria de ascenso más pronunciada para evitar una resistencia atmosférica excesiva, mientras que la propulsión líquida de combustión más lenta podría aprovechar trayectorias más eficientes hacia la órbita. ^{[ 25 ]}

A principios de 2006, el Centro de Vuelos Espaciales Marshall señaló la posibilidad de que un rover científico almacenara las muestras en Marte, y posteriormente se enviara un mini-rover junto con el MAV en un módulo de aterrizaje de retorno de muestras. Luego, el mini-rover o el rover científico entregarían las muestras al módulo de aterrizaje para cargarlas en el MAV. ^{[ 26 ]} Un MAV de dos etapas de 250 kilogramos (550 lb) de propulsor sólido sería expulsado por gas desde un tubo de lanzamiento. Transportaría una carga útil de 5 kilogramos (11 lb) : un paquete esférico de 16 centímetros (6,3 pulgadas) de diámetro que contendría las muestras. La segunda etapa enviaría telemetría, y sus propulsores de dirección usarían combustible de hidracina con aditivos. Los autores esperaban que el MAV necesitara múltiples pruebas de vuelo a gran altitud sobre la Tierra.   

Una publicación revisada por pares de 2007 describió las pruebas de captura autónoma de muestras para el encuentro en órbita de Marte. ^{[ 27 ]} Se realizaron pruebas de flotación libre a bordo de una aeronave de la NASA utilizando una trayectoria de vuelo parabólica de "gravedad cero".

En 2007, Alan Stern , entonces administrador asociado de ciencia de la NASA, estaba firmemente a favor de completar MSR cuanto antes, y solicitó al JPL que incluyera el almacenamiento de muestras en la misión Mars Science Laboratory (más tarde llamada Curiosity). ^{[ 28 ]} Un equipo del Centro de Investigación Ames estaba diseñando un dispositivo de almacenamiento de muestras del tamaño de un disco de hockey para ser instalado como carga útil adicional en MSL. ^{[ 29 ]}

Un análisis de revisión de 2008 comparó el ascenso a Marte con el ascenso a la Luna, señalando que el MAV plantearía no solo un desafío técnico, sino también cultural para la comunidad de ciencias planetarias: dado que el ascenso a la Luna se ha realizado utilizando tecnología conocida, y que las misiones científicas normalmente dependen de propulsión probada para correcciones de rumbo y maniobras de inserción orbital, de forma similar a lo que hacen rutinariamente los satélites terrestres. ^{[ 30 ]}

A principios de 2009, la oficina del proyecto de Tecnología de Propulsión Espacial del Centro de Investigación Glenn (GRC) de la NASA presentó una clasificación de seis opciones de MAV, concluyendo que un cohete sólido de dos etapas de 285 kilogramos (628 lb) con telemetría continua sería el mejor para entregar un paquete de muestras de 5 kilogramos (11 lb) a la órbita de Marte. ^{[ 31 ]} Se señaló que un MAV bipropelente de una sola etapa alimentado por bomba ^{[ 32 ]} era menos pesado y se clasificó en segundo lugar.  

Más adelante, en 2009, el tecnólogo jefe de la Dirección de Exploración de Marte del JPL se refirió a un taller de 2008 sobre tecnologías MSR en el Instituto Lunar y Planetario , y escribió que los desafíos tecnológicos particularmente difíciles incluían: el MAV, la adquisición y manipulación de muestras, y la protección planetaria posterior . Luego comentó además que, "El MAV, en particular, destaca como el sistema con mayor riesgo de desarrollo, lo que apunta a la necesidad de un inicio temprano", lo que llevó a realizar pruebas de vuelo antes de la revisión preliminar del diseño (PDR) del módulo de aterrizaje que entregaría el MAV. ^{[ 33 ]}

En octubre de 2009, la NASA y la ESA establecieron la Iniciativa Conjunta de Exploración de Marte para continuar con el programa ExoMars , cuyo objetivo final es el regreso de muestras de Marte en la década de 2020. ^{[ 34 ] [ 35 ]} La primera misión de ExoMars estaba planeada para lanzarse en 2018, ^{[ 36 ] [ 37 ]} con misiones no especificadas para regresar muestras en el período 2020–2022. ^{[ 38 ]} Como se informó al Comité Científico del Consejo Asesor de la NASA (NAC-SC) ^{[ 39 ]} a principios de 2010, MEPAG estimó que MSR "costará entre 8 y 10 mil millones de dólares, y es obvio que la NASA y la ESA no pueden financiar esta cantidad por sí solas". ^{[ 40 ]} La cancelación del rover de almacenamiento MAX-C en 2011, y la posterior retirada de la NASA de ExoMars, debido a limitaciones presupuestarias, pusieron fin a la misión. ^{[ 41 ]} La retirada fue descrita como "traumática" para la comunidad científica. ^{[ 41 ]}

En 2010-2011, el programa de Tecnología de Propulsión Espacial (ISPT) de la NASA en el Centro de Investigación Glenn recibió propuestas y financió a socios industriales para estudios de diseño de MAV con opciones de contrato para comenzar el desarrollo de la tecnología, al tiempo que consideraba las necesidades de propulsión para las naves espaciales de regreso a la Tierra. ^{[ 42 ]} Se observó que insertar la nave espacial en la órbita de Marte y luego regresar a la Tierra requería un alto total de cambios de velocidad, lo que llevó a la conclusión de que la propulsión eléctrica solar podría reducir el riesgo de la misión al mejorar los márgenes de masa, en comparación con el uso previamente asumido de propulsión química junto con aerofrenado en Marte. ^{[ 43 ]} El equipo ISPT también estudió escenarios para pruebas de vuelo de MAV sobre la Tierra y recomendó dos pruebas de vuelo antes de la PDR de la misión MSR, considerando la baja probabilidad histórica de éxito inicial para los nuevos vehículos de lanzamiento. ^{[ 44 ]}

The NASA–ESA potential mission schedule anticipated launches from Earth in 2018, 2022, and 2024 to send respectively; a sample caching rover, a sample return orbiter, and a sample retrieval lander for a 2027 Earth arrival, with MAV development starting in 2014 after two years of technology development identified by the MAV design studies.^[45] The ISPT program summarized a year of propulsion technology progress for improving Mars arrival, Mars ascent, and Earth return, stating that the first flight test of a MAV engineering model would need to occur in 2018 to meet the 2024 launch date for the sample retrieval lander.^[46]

The 2011 MAV industry studies were done by Lockheed Martin teamed with ATK, Northrop Grumman, and Firestar Technologies, to deliver a 5-kg (11-lb), 16-cm (6.3-inch) diameter sample sphere to Mars orbit.^[47] The Lockheed-Martin-ATK team focused on a solid propellant first stage with either solid or liquid propellant for the upper stage, estimated MAV mass in the range 250 to 300 kg (550 to 660 lb), and identified technologies for development to reduce mass.^[48] Northrop Grumman (the former TRW) similarly estimated a mass below 300 kg, using pressure-fed liquid bipropellants for both stages,^[49] and had plans for further progress.^[50] Firestar Technologies described a single-stage MAV design having liquid fuel and oxidizer blended together in one main propellant tank.^[51]

In early 2011 the US National Research Council's Planetary Science Decadal Survey, which laid out mission planning priorities for the period 2013–2022, declared an MSR campaign its highest priority Flagship Mission for that period.^[52][53] In particular, it endorsed the proposed Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C) mission in a "descoped" (less ambitious) form. This mission plan (cancelled in April 2011 for budget reasons) had been for NASA and ESA to each build a rover to send together in 2018.^[54]

In 2012, prospects for MSR were slowed further by a 38-percent cut in NASA's Mars program budget for fiscal year 2013, leading to controversy among scientists over whether Mars exploration could thrive on a series of small rover missions.^[55] A Mars Program Planning Group (MPPG) was convened as one response to budget cuts.^[56]

A mediados de 2012, ocho semanas antes de que Curiosity llegara a Marte, el Instituto Lunar y Planetario organizó un taller de tres días patrocinado por la NASA ^{[ 57 ]} para recopilar conocimientos e ideas de una amplia gama de profesionales y estudiantes, como aporte para ayudar a la NASA a reformular el Programa de Exploración de Marte, en respuesta al último Estudio Decenal Planetario ^{[ 52 ]} que priorizó la MSR, mientras que también se enfrentaba a profundos recortes presupuestarios recientes. Se recibieron 390 propuestas, y las 185 personas asistentes coincidieron en que se podrían dar "pasos creíbles hacia la MSR" con financiación reducida. ^{[ 58 ]} El rover MAX-C (finalmente implementado como Mars 2020 , Perseverance ) se consideraba fuera del alcance financiero en ese momento, por lo que el informe resumido señaló que el progreso hacia la MSR podría incluir una misión orbital para probar el encuentro autónomo, o un módulo de aterrizaje de clase Phoenix para demostrar el aterrizaje de precisión mientras se entregaba un MAV como demostración tecnológica. El taller consistió principalmente en tres grupos de discusión sobre Tecnología y Capacidades Facilitadoras, Ciencia y Conceptos de Misión, y Exploración Humana y sus Precursores.

El Panel de Tecnología documentó debates de amplio alcance ^{[ 59 ]} , que sugirieron inversiones para mejorar la perforación y los rovers "pequeños pero hermosos", con énfasis en capacidades creativas para la reducción de masa. El panel afirmó que la tecnología funcional de los MAV "no es nueva", pero que el entorno marciano plantearía desafíos, y se refirió a las tecnologías de los MAV como "un riesgo para la mayoría de los escenarios de retorno de muestras de cualquier rango de costos". La tecnología de los MAV se abordó en numerosas presentaciones escritas ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} al taller, una de las cuales describió el ascenso a Marte como "más allá de la tecnología probada" (velocidad y aceleración en combinación para cohetes pequeños) y un "enorme desafío para el sistema social", refiriéndose a un dilema " paradójico " en el que no hay tolerancia para la nueva tecnología si el retorno de muestras está en el horizonte cercano, y no hay financiación para los MAV si el retorno de muestras está en el horizonte lejano. ^{[ 62 ]}

En septiembre de 2012, la NASA anunció su intención de estudiar más a fondo las estrategias MSR, tal como se describen en el MPPG, incluyendo un escenario de lanzamiento múltiple, un escenario de lanzamiento único y un escenario de múltiples rovers, para una misión que comenzaría tan pronto como en 2018. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} Un " rover de recuperación " recuperaría los depósitos de muestras y los entregaría a un vehículo de ascenso a Marte (MAV). En julio de 2018, la NASA contrató a Airbus para producir un concepto de "rover de recuperación". ^{[ 69 ]} A finales de 2012, se determinó que el concepto de rover MAX-C para recolectar muestras podría implementarse para un lanzamiento en 2020 ( Mars 2020 ), dentro de la financiación disponible, utilizando piezas de repuesto y planes de misión desarrollados para el rover Curiosity de la NASA en Marte. ^{[ 70 ]}

En 2013, el Centro de Investigación Ames de la NASA propuso que un Falcon Heavy de SpaceX podría entregar dos toneladas de carga útil a la superficie de Marte, incluyendo una nave espacial de regreso a la Tierra que sería lanzada desde Marte por un MAV de una tonelada de una sola etapa que utilizaba bipropelentes líquidos alimentados por turbobombas. ^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]} El exitoso aterrizaje del rover Curiosity directamente sobre sus ruedas (agosto de 2012) motivó al JPL a reconsiderar el transporte del MAV en la parte posterior de un rover. ^{[ 74 ]} Un MAV de 300 kg totalmente guiado (como el sólido de dos etapas de Lockheed Martin de 2011 ^{[ 47 ] [ 48 ]} ) evitaría la necesidad de un rover de ida y vuelta para el transporte. Un MAV más pequeño de 150 kg permitiría que un rover también incluyera la recolección de muestras mientras se utilizaba la herencia del MSL para reducir el costo de la misión y el tiempo de desarrollo; transfiriendo la mayor parte del riesgo de desarrollo al MAV.

El JPL presentó más detalles del concepto de mini-MAV de propulsor sólido de 150 kg de 2012, en un resumen de esfuerzos anteriores seleccionados. ^{[ 75 ]} La ausencia de datos de telemetría durante la pérdida del Mars Polar Lander en 1999 había puesto énfasis en las "comunicaciones de eventos críticos", que posteriormente se aplicaron al MSR. Luego, después del aterrizaje del MSL en 2012, se revisaron los requisitos con el objetivo de reducir la masa del MAV. Se cuestionó la tolerancia a fallas únicas y los datos de telemetría continuos a la órbita de Marte. Para los 500 gramos (1,1 lb) de muestras, se consideró posible  una carga útil de 3,6 kg (7,9 lb) en lugar de 5 kg (11 lb). El concepto de mini-MAV de 2012 tenía aviónica de una sola cuerda, además de la etapa superior estabilizada por giro sin telemetría.   

En 2014–2015, el JPL analizó muchas opciones para el ascenso a Marte, incluyendo propulsores sólidos, híbridos y líquidos, para cargas útiles que oscilaban entre 6,5  kg y 25  kg. ^{[ 76 ]} Cuatro conceptos de MAV que utilizaban propulsor sólido tenían dos etapas, mientras que se consideraron una o dos etapas para propulsores híbridos y líquidos. Siete opciones fueron evaluadas según diez atributos ("figuras de mérito"). Un híbrido de una sola etapa recibió la puntuación general más alta, incluyendo la mayor cantidad de puntos por reducción de costos y, por separado, por reducción de complejidad, con la menor cantidad de puntos por madurez tecnológica. El segundo lugar general fue un MAV bipropelente líquido de una sola etapa que utilizaba bombas eléctricas. Un diseño bipropelente alimentado a presión fue el tercero, con la mayor cantidad de puntos por madurez tecnológica. Las opciones de propulsor sólido tuvieron puntuaciones más bajas, en parte debido a que recibieron muy pocos puntos por flexibilidad. El JPL y el Centro de Investigación Langley de la NASA advirtieron que el alto empuje y los cortos tiempos de combustión de los motores de cohetes sólidos provocarían un agotamiento prematuro a baja altitud, con una atmósfera sustancial que atravesar a altos números de Mach, lo que generaría preocupaciones sobre la estabilidad y el control. ^{[ 75 ] [ 77 ]} Con la aprobación del Director del Programa de Marte, en enero de 2016 se decidió centrar los limitados fondos de desarrollo tecnológico en el avance de un MAV de propulsor híbrido (oxidante líquido con combustible sólido). ^{[ 78 ]}

A partir de 2015, un nuevo esfuerzo para la protección planetaria trasladó la función de protección planetaria inversa de la superficie de Marte al Orbitador de Retorno de Muestras, para "romper la cadena" en vuelo. ^{[ 79 ]} Se estudiaron y probaron conceptos de soldadura fuerte, embolsado y esterilización por plasma, con un enfoque principal en la soldadura fuerte, a partir de 2016.

En abril de 2018, la NASA y la ESA firmaron una carta de intención que podría sentar las bases para una misión de retorno de muestras de Marte. ^{[ 80 ] [ 81 ]} El acuerdo ^{[ 82 ]} surgió de la 2.ª Conferencia Internacional de Retorno de Muestras de Marte en Berlín, Alemania. ^{[ 83 ]} El programa de la conferencia se archivó junto con 125 presentaciones técnicas que abarcaban la ciencia de las muestras (hallazgos previstos, selección del sitio, recolección, conservación, análisis) y la implementación de la misión (llegada a Marte, rovers, perforadoras de rocas, robótica de transferencia de muestras, ascenso a Marte, encuentro orbital autónomo, propulsión interplanetaria, llegada a la Tierra, protección planetaria). ^{[ 84 ]} En una de las muchas presentaciones, un equipo científico internacional señaló que la recolección de muestras de rocas sedimentarias sería necesaria para buscar vida antigua. ^{[ 85 ]} Una presentación conjunta de la NASA y la ESA describió la arquitectura de la misión base, que incluye la recolección de muestras por el rover Mars 2020 derivado del concepto MAX-C , un módulo de aterrizaje para la recuperación de muestras y un orbitador de retorno a la Tierra. ^{[ 86 ]} Una propuesta alternativa fue utilizar un Falcon Heavy de SpaceX para disminuir el costo de la misión al tiempo que se entregaba más masa a Marte y se traían más muestras. ^{[ 87 ]} Otra presentación en la conferencia de Berlín señaló que el costo de la misión podría reducirse mediante el avance de la tecnología MAV para permitir un MAV significativamente más pequeño para una carga útil de muestras determinada. ^{[ 88 ]}

En julio de 2019, se propuso una arquitectura de misión. ^{[ 89 ] [ 90 ]} En 2019, los autores del JPL resumieron la recuperación de muestras, incluyendo un rover de recuperación de muestras, opciones para colocar 20 o 30 tubos de muestras en una carga útil de 12 kilogramos (26 lb) en un MAV de una sola etapa a órbita (SSTO) de 400 kilogramos (880 lb ) que usaría propelentes híbridos, un oxidante líquido con un combustible de cera sólida, que había sido priorizado para el desarrollo de tecnología de propulsión desde 2016. ^{[ 91 ]} Mientras tanto, el Centro de Vuelos Espaciales Marshall (MSFC) presentó una comparación de propulsión sólida e híbrida para el MAV. ^{[ 92 ]} Más tarde en 2019, el MSFC y el JPL habían colaborado en el diseño de un MAV de propelente sólido de dos etapas, y señalaron que una etapa superior giratoria no guiada podría reducir la masa, pero este enfoque fue abandonado en ese momento debido al potencial de variaciones orbitales. ^{[ 93 ]}  

A principios de 2020, el JPL actualizó el plan general de la misión para un paquete de muestras en órbita (del tamaño de una pelota de baloncesto ^{[ 94 ]} ) que contiene 30 tubos, mostrando opciones de MAV sólidas e híbridas en el rango de 400 a 500 kilogramos (880 a 1100 lb) . ^{[ 95 ]} Añadiendo detalles, el MSFC presentó diseños para los diseños de MAV sólidos e híbridos, para una masa objetivo de 400 kilogramos (880 lb) en el lanzamiento a Marte para entregar 20 o 30 tubos de muestras en un paquete de carga útil de 14 a 16 kilogramos (31 a 35 lb) . ^{[ 96 ] [ 97 ]} En abril de 2020, se presentó una versión actualizada de la misión. ^{[ 98 ]} La decisión de adoptar un MAV de cohete sólido de dos etapas fue seguida por el Ciclo de Análisis de Diseño 0.0 en la primavera de 2020, que refinó el MAV a un diseño de 525 kilogramos (1157 lb) con guiado para ambas etapas, lo que llevó a reconsiderar una segunda etapa no guiada estabilizada por giro para ahorrar masa. ^{[ 99 ]}    

En octubre de 2020, la Junta de Revisión Independiente (IRB) del MSR publicó su informe ^{[ 100 ]} recomendando en general que el programa MSR procediera, luego en noviembre la NASA respondió a las recomendaciones detalladas de la IRB. ^{[ 101 ]} La IRB señaló que el MSR tendría ocho desafíos sin precedentes, incluyendo el primer lanzamiento desde otro planeta, encuentro orbital autónomo y manipulación robótica de muestras con sellado para "romper la cadena". ^{[ 102 ]} La IRB advirtió que el MAV será diferente a cualquier vehículo de lanzamiento anterior, y la experiencia muestra que cuanto más pequeño es un vehículo de lanzamiento, más probable es que termine siendo más pesado de lo diseñado. ^{[ 103 ]} Refiriéndose a la etapa superior no guiada del MAV, la IRB afirmó la importancia de la telemetría para eventos críticos, "para permitir una reconstrucción útil de una falla durante el vuelo de la segunda etapa". ^{[ 104 ]} La IRB indicó que el costo más probable de la misión sería de $3.8 a $4.4 mil millones. ^{[ 105 ]} Como se informó al NAC-SC ^{[ 39 ]} en abril de 2021, el Comité Asesor de Ciencias Planetarias (PAC) ^{[ 106 ]} estaba "muy preocupado por el alto costo" de MSR y quería asegurarse de que las consideraciones astrobiológicas se incluyeran en los planes para los laboratorios de muestras devueltas. ^{[ 107 ]}

A principios de 2022, el MSFC presentó el diseño del MAV guiado-no guiado para una reducción de masa de 125 kilogramos (276 lb) y documentó los desafíos restantes, incluidas las complejidades aerodinámicas durante el encendido de la primera etapa y el descenso a la altitud, el deseo de ubicar los propulsores de dirección de hidracina más lejos del centro de masa y la separación de etapas sin rotación de punta. ^{[ 108 ]} Si bien la separación de etapas y el posterior arranque se probarían en vuelo, los autores señalaron que sería ideal probar en vuelo un MAV completo similar al de vuelo, pero habría un gran costo. 

En abril de 2022, las Academias Nacionales de los Estados Unidos publicaron el informe de la Encuesta Decenal de Ciencias Planetarias para el período 2023-2032, una revisión de los planes y prioridades para los próximos diez años, después de muchas reuniones de comités que comenzaron en 2020, con la consideración de más de 500 documentos técnicos presentados de forma independiente, más de 100 relacionados con Marte, incluyendo comentarios sobre ciencia y tecnología para el retorno de muestras. ^{[ 109 ]} El documento publicado señaló el plan de la NASA de 2017 para una campaña de retorno de muestras "enfocada y rápida" con la participación esencial de la ESA, y luego recomendó: "La máxima prioridad científica de los esfuerzos de exploración robótica de la NASA en esta década debería ser la finalización del retorno de muestras de Marte tan pronto como sea factible". ^{[ 110 ]} Los documentos técnicos decenales enfatizaron la importancia de MSR para la ciencia, ^{[ 111 ]} incluyeron una descripción de la implementación de MSR, ^{[ 112 ]} y señalaron que el MAV ha sido subestimado a pesar de necesitar un rendimiento de vuelo superior al estado del arte para cohetes pequeños, ^{[ 113 ]} necesita un esfuerzo de desarrollo sostenido, ^{[ 114 ]} y que el desarrollo tecnológico para un MAV más pequeño tiene el potencial de reducir el costo de la misión MSR. ^{[ 115 ]} Las reuniones del comité de la Encuesta Decenal contaron con numerosos oradores invitados, en particular una presentación del IRB de MSR. ^{[ 116 ]}

En marzo de 2022, se planificaron módulos de aterrizaje separados para el rover de recogida y el MAV, ya que juntos serían demasiado grandes y pesados ​​para un solo módulo de aterrizaje. Un plan de ahorro de costes en julio consistía en enviar solo un módulo de aterrizaje con el MAV y depender del rover Perseverance para pasar los tubos de muestras al MAV en ausencia de un rover de recogida. ^{[ 5 ] [ 117 ]} Dos nuevos helicópteros ligeros en el módulo de aterrizaje MAV servirían como respaldo para el traslado de las muestras en Marte. ^{[ 118 ]}

A principios de 2023 se reveló que el equipo de AeroVironment que creó Ingenuity había estado concibiendo un "helicóptero de recogida de muestras de Marte" desde al menos 2021 para volar en la delgada atmósfera de Marte. ^{[ 119 ]} En una reunión pública sobre el presupuesto en marzo, la NASA señaló el alto costo de MSR y había comenzado a conformar una segunda junta de revisión independiente (MSR IRB-2) para evaluar el diseño, el cronograma y la financiación necesaria. ^{[ 120 ]} La IRB-2 comenzó a trabajar en mayo de 2023 y publicó su informe en septiembre de 2023. ^{[ 121 ] [ 122 ]}

En enero de 2024, un plan propuesto por la NASA fue cuestionado debido a consideraciones presupuestarias y de cronograma, y ​​se emprendió un nuevo plan de revisión. ^{[ 123 ]} El Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica contrastó el desafío del costo de la misión con el valor científico de las muestras recuperadas, señalando que se podrían realizar múltiples misiones científicas in situ por el costo de MSR, pero que un microscopio electrónico, por ejemplo, sería demasiado grande para enviarlo a Marte. ^{[ 124 ]} Una respuesta en marzo describió el alto costo de la misión como relacionado con el tamaño del MAV y su enorme módulo de aterrizaje, ofreciendo que la innovación podría conducir a un MAV más pequeño. ^{[ 125 ]}

En abril de 2024, la NASA respondió formalmente al informe IRB-2 con un informe del MIRT (Equipo de Respuesta del IRB de MSR) que destacaba el valor de ahorro de costes de un MAV más pequeño. ^{[ 126 ]} El 15 de abril de 2024, el administrador de la NASA, Bill Nelson, y la directora de la misión científica, Nicola Fox, anunciaron la respuesta de la organización a la investigación de la junta de revisión independiente de septiembre de 2023, en particular la conclusión de que el retorno de muestras de Marte con su diseño y costo actuales, originalmente estimado en 7 mil millones de dólares con reentrada a la Tierra para 2033, ahora costaría más de 11 mil millones de dólares, una cifra inaceptable, y terminaría con la reentrada a la Tierra no antes de 2040. ^{[ 14 ] [ 16 ]} En respuesta, Nelson y Fox declararon que la NASA solicitaría a la industria al día siguiente que propusiera alternativas que probablemente utilizarían arquitecturas de misión más probadas con una trayectoria más larga y que cumplirían con las recomendaciones de la junta, con respuestas preferidas para el otoño de 2024. También dijeron que gastarían 310 millones de dólares en el programa para el año fiscal 2024. ^{[ 14 ]} El 22 de abril, se celebró una reunión pública para explicar la solicitud de propuestas de la NASA del 16 de abril para revisar misiones alternativas. arquitecturas. ^{[ 127 ]}

En junio de 2024, tras la decisión de la agencia de abrir la misión a propuestas de la industria, se seleccionaron siete empresas para avanzar en un estudio de misión de 90 días. ^{[ 128 ] [ 129 ]}

A finales de julio, durante la Décima Conferencia Internacional sobre Marte, ^{[ 130 ]} los investigadores del JPL anunciaron que una muestra recién adquirida tenía el mayor potencial hasta la fecha para evidencia de vida. ^{[ 131 ] [ 132 ]} Las presentaciones incluyeron planes para el manejo y conservación de la muestra a su regreso a la Tierra, incluyendo el equipo científico necesario en la Instalación de Recepción de Muestras. ^{[ 133 ]} Otra presentación de póster describió las pruebas de vuelo para el lanzamiento desde Marte, señalando que un MAV podría recorrer mil millas si se probara sobre la Tierra, más lejos que los misiles de una tonelada, y que un MAV más pequeño para un envío asequible a Marte probablemente necesitaría nueva tecnología resultante de la construcción iterativa y las pruebas de vuelo. ^{[ 134 ] [ 135 ]}

En enero de 2025, la NASA anunció que exploraría dos posibles vías para el aterrizaje del MAV. La primera opción utilizaría el método de grúa aérea empleado para Curiosity y Perseverance , y la segunda aprovecharía las nuevas capacidades comerciales. Ambas opciones emplearían el Orbitador de Retorno a la Tierra de la ESA para recibir y transportar las muestras. ^{[ 136 ]}

En febrero de 2025, Space News publicó un resumen del desafío del MAV, señalando la ausencia de experiencia establecida, dada la falta de otras misiones o clientes que necesitarían algo como un MAV para estimular la inversión. ^{[ 137 ]} Otro artículo de opinión en marzo describió una sugerencia de Rocket Lab para una misión de precio fijo para traer de vuelta las muestras, utilizando un MAV de propulsión líquida de una sola etapa. ^{[ 138 ] [ 139 ]}

El 31 de marzo, una reunión pública del Comité de Astrobiología y Ciencias Planetarias de las Academias Nacionales incluyó una actualización de Donya Douglas-Bradshaw, ^{[ 140 ]} la nueva Directora del Programa MSR en la sede de la NASA. Al resumir los resultados del estudio de 2024 de los equipos de la industria y la NASA, señaló que un MAV más pequeño es viable y extremadamente importante, permitiendo el uso de un módulo de aterrizaje basado en la grúa espacial del JPL. ^{[ 141 ]} Las nuevas características incluirían "romper la cadena" en Marte en lugar de en órbita marciana (para protección planetaria inversa) y el uso de electricidad RTG en lugar de paneles solares. Dijo que el MSFC rediseñó el MAV de dos etapas de propulsor sólido de 450  kg a 350  kg sin aumentar el riesgo. El 30 de abril, Douglas-Bradshaw presentó una actualización similar al MEPAG y luego, en respuesta a una pregunta, agregó que Rocket Lab no había presentado una propuesta a la NASA con respecto al concepto de misión MSR de precio fijo. ^{[ 142 ]}

En mayo de 2025, la administración Trump publicó su propuesta de presupuesto para el año fiscal 2026 de la NASA, en la que planeaban cancelar el programa MSR por parte estadounidense. ^{[ 143 ]} En enero de 2026, el Congreso de los Estados Unidos confirmó que el MSR no recibiría financiación, por lo que la misión puede considerarse cancelada. ^{[ 17 ]}

La misión Mars 2020 aterrizó el rover Perseverance en el cráter Jezero en febrero de 2021. Recolectó varias muestras y las empaquetó en cilindros para su posterior regreso. Jezero parece ser el lecho de un antiguo lago, adecuado para la toma de muestras terrestres. ^{[ 144 ] [ 145 ] [ 146 ]}

A principios de agosto de 2021, Perseverance realizó su primer intento de recolectar una muestra del suelo perforando un núcleo de roca marciana del tamaño de un dedo. ^{[ 147 ]} Este intento no tuvo éxito. Se produjo un orificio, como lo indicaron las lecturas de los instrumentos y se documentó con una fotografía del mismo. Sin embargo, el contenedor de la muestra resultó estar vacío, lo que indica que la roca muestreada no era lo suficientemente robusta como para producir un núcleo sólido. ^{[ 148 ]}

Se tomó una segunda muestra de roca, considerada con mayor probabilidad de producir material suficientemente robusto, a finales de agosto y principios de septiembre de 2021. Tras desgastar la roca, limpiar el polvo con chorros de nitrógeno a presión e inspeccionar la superficie resultante, se perforó un orificio el 1 de septiembre. Se observó una muestra de roca en el tubo, pero no se colocó inmediatamente en un recipiente. Se realizó un nuevo procedimiento de inspección óptica del tubo. ^{[ 149 ]} El 6 de septiembre se completó el proceso y se colocó la primera muestra en un recipiente. ^{[ 150 ]}

A partir del 21 de diciembre de 2022, Perseverance inició una campaña para depositar 10 de las muestras recolectadas en el depósito de reserva, Three Forks. Este trabajo se completó el 28 de enero de 2023.

La misión de recuperación de muestras implica el lanzamiento de un módulo de aterrizaje con cinco paneles solares en 2028, con el Vehículo de Ascenso a Marte y dos helicópteros de recuperación de muestras como respaldo para Perseverance . El módulo de aterrizaje SRL tiene aproximadamente el tamaño de un garaje promedio para dos autos y pesa unos 3375 kg (7441 lb) ; tentativamente se planea que tenga 7,7 m (25 pies) de ancho y 2,1 m (6,9 pies) de alto cuando esté completamente desplegado. La masa de carga útil del módulo de aterrizaje es el doble que la del rover Perseverance , es decir, unos 563 kg (1241 lb) . El módulo de aterrizaje debe estar cerca del rover Perseverance para facilitar la transferencia de muestras de Marte. Debe aterrizar a menos de 60 m (200 pies) de su sitio objetivo, mucho más cerca que los rovers y módulos de aterrizaje anteriores en Marte. Por lo tanto, tendrá una batería secundaria para alimentar el módulo de aterrizaje. El módulo de aterrizaje aprovecharía una versión mejorada del exitoso sistema de navegación relativa al terreno de la NASA, que contribuyó al aterrizaje seguro del Perseverance . El nuevo sistema de visión mejorado para el módulo de aterrizaje incluiría, entre otras mejoras, una segunda cámara, un altímetro y mejores capacidades para utilizar la propulsión en un aterrizaje de precisión. Está previsto que aterrice cerca de Three Forks en 2029.          

Brazo de transferencia de muestras

El rover Mars 2020 y los helicópteros transportarán las muestras al módulo de aterrizaje SRL. El brazo de transferencia de muestras de SRL, construido por la ESA y de aproximadamente 2,40 m (7,9 pies) de longitud, se utilizará para extraer las muestras y cargarlas en la cápsula de retorno de muestras en el vehículo de ascenso. ^{[ 5 ] [ 187 ]}  

La campaña MSR incluye helicópteros de la clase Ingenuity , que recogerán las muestras con la ayuda de un pequeño brazo robótico y las trasladarán al SRL, en caso de que el rover Perseverance tenga algún problema.

El Vehículo de Ascenso a Marte (MAV) fue diseñado como un cohete de dos etapas y combustible sólido que transportaría las muestras recolectadas de la superficie de Marte al Orbitador de Retorno a la Tierra. A principios de 2022, Lockheed Martin recibió un contrato para asociarse con el Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA en el desarrollo del MAV y los motores de Northrop Grumman . ^{[ 191 ]} Está previsto que sea catapultado hacia arriba hasta 4,5 m (15 pies) por encima del módulo de aterrizaje, o 6,5 m (21 pies) por encima de la superficie marciana justo antes de su encendido, para eliminar la probabilidad de problemas de despegue como deslizamiento o inclinación debido al gran peso y los gases de escape del cohete. La parte delantera sería lanzada con un poco más de fuerza que la trasera, lo que haría que el cohete apuntara hacia arriba, hacia el cielo marciano. El sistema de Liberación Controlada de Punta de Salida Vertical (VECTOR) añade una ligera rotación durante el lanzamiento, inclinando el cohete hacia arriba y alejándolo de la superficie. ^{[ 192 ]}    

El MAV entraría en una órbita de 380 kilómetros (240 mi) . ^{[ 193 ]} Permanecerá almacenado dentro de un cilindro en el SRL y tendrá un revestimiento de protección térmica. La primera etapa del cohete (SRM-1) se encendería durante 75 segundos. El motor SRM1 puede girar, pero la mayoría de las toberas de motores de cohetes sólidos con giro no pueden soportar el frío extremo que experimentará el MAV, por lo que el equipo de Northrop Grumman tuvo que idear algo que sí pudiera: una tobera de bola atrapada de última generación con una línea de división supersónica. Después del agotamiento del SRM1, el MAV permanecerá en un período de vuelo inercial durante aproximadamente 400 segundos. Durante este tiempo, el carenado aerodinámico MPA y toda la primera etapa se separarán del vehículo. 

Después de la separación de etapas, la segunda etapa iniciará un giro mediante propulsores RCS de pequeña escala montados lateralmente. Toda la segunda etapa no será guiada y se estabilizará por giro a una velocidad de aproximadamente 175 RPM. Habiendo alcanzado la velocidad de giro objetivo, la segunda etapa (SRM-2) se encenderá y arderá durante aproximadamente 18–20 segundos, elevando el periapsis y circularizando la órbita. ^{[ 194 ]} Se planea que la segunda etapa se estabilice por giro para ahorrar peso, en lugar de una guía activa, pero las muestras de Marte darán como resultado una distribución de masa de carga útil desconocida. ^{[ 193 ]} La estabilización por giro permite que el cohete sea más ligero, por lo que no tendrá que llevar control activo hasta la órbita.

Tras el agotamiento del SRM2, la segunda etapa rodará por inercia durante un máximo de 10 minutos, mientras se produce el empuje residual del SRM2. A continuación, se activarán pequeños motores de desrotación laterales, reduciendo la velocidad de giro a menos de 40 RPM. Una vez alcanzada la órbita objetivo, el MAV ordenará al MPA que expulse el Contenedor de Muestras en Órbita (OS). La segunda etapa del MAV, ya agotada, permanecerá en órbita, emitiendo una señal de radiobaliza durante un máximo de 25 días. Esto facilitará la captura del OS por parte del ERO. ^{[ 188 ]}

El lanzamiento del MAV estaba programado para 2028 a bordo del módulo de aterrizaje SRL. ^{[ 5 ]}

Componentes de las páginas de destino de retorno de muestra

Configuración del lanzamiento del concepto

Diseño interior del MAV, el primer cohete de etapas extraterrestres.

Diseño exterior del MAV

Plan de vuelo del MAV

Cronograma del retorno de muestras de Marte 2020–2033

ERO era una nave espacial planificada y desarrollada por la ESA. ^{[ 195 ] [ 196 ]} Incluiría el Sistema de Captura, Contención y Retorno (CCRS) construido por la NASA y el Paquete de Comunicaciones UHF Electra. Se encontraría con las muestras entregadas por MAV en órbita baja de Marte (LMO). Se planeó que el orbitador ERO pesara ~ 7000 kg (15 000 lb) (el orbitador de Marte más grande) y tuviera paneles solares que resultarían en una envergadura de más de 38 m (125 ft) . Estos paneles solares serían algunos de los más grandes jamás lanzados al espacio. ^{[ 197 ]}    

El ERO estaba programado para ser lanzado en un cohete Ariane 6 en 2027 y llegar a Marte en 2029, utilizando propulsión iónica y un elemento de propulsión química separado para alcanzar gradualmente la órbita adecuada de 325 km (202 mi) , y luego encontrarse con la muestra en órbita. ^{[ 198 ]} La radiobaliza de la segunda etapa del MAV proporcionaría a los controladores la información que necesitan para que el Orbitador de Retorno a la Tierra de la ESA se acerque lo suficiente a la Muestra en Orbital para verla a través de luz reflejada y capturarla para su regreso a la Tierra. Para ello, el ERO utilizaría cámaras de alto rendimiento para detectar la Muestra en Orbital a más de 1000 km (620 mi) de distancia. Una vez "fijado", el ERO la rastrearía continuamente utilizando cámaras y LiDAR durante toda la fase de encuentro. Una vez alineado con el contenedor de la muestra, el Sistema de Captura, Contención y Retorno se encendería, abriría su tapa de captura y activaría sus sensores de captura. El orbitador de la ESA se impulsaría entonces hacia el contenedor de muestras a una velocidad de entre 2,5 y 5 centímetros por segundo para alcanzarlo y "engullirlo". Tras detectar que el contenedor de muestras se encuentra a salvo en su interior, el CCRS cerraría rápidamente su tapa. De este modo, el orbitador recuperaría y sellaría los contenedores en órbita, y utilizaría un brazo robótico construido por la NASA para colocar el contenedor sellado en una cápsula de reentrada a la Tierra.    

El CCRS de 600 kg (1300 lb) se encargaría de esterilizar completamente el exterior de la muestra en órbita y de sellarla doblemente dentro del Sistema de Entrada a la Tierra (EES), creando una barrera de contención secundaria para mantener las muestras aisladas e intactas de forma segura y obtener el máximo beneficio científico. Elevaría su órbita, desecharía el elemento de propulsión (incluidos ~ 500 kg (1100 lb) de hardware del CCRS, que no tendría utilidad después de esterilizar las muestras) y regresaría a la Tierra durante la ventana de transferencia de Marte a la Tierra de 2033. ^{[ 197 ]} El ERO mediría la dosis total de radiación recibida durante todo el vuelo. Los resultados ayudarían a monitorear el estado de la nave espacial y proporcionarían información importante sobre cómo proteger a los exploradores humanos en futuros viajes a Marte. ^{[ 197 ]}    

Después de que Estados Unidos cancelara la misión de retorno de muestras, ^{[ 17 ]} la ESA estaba considerando reutilizar ERO para una misión independiente de ida a Marte llamada ZefERO, posiblemente con lanzamiento a Marte en 2032. ^{[ 199 ]} Sin embargo, a principios de 2026, los estados miembros de la ESA decidieron cancelar ERO y la agencia comenzó conversaciones con el contratista principal de ERO, Airbus Defence and Space , sobre la reutilización de ciertas tecnologías desarrolladas para la misión. ^{[ 200 ]}

El Sistema de Captura/Contención y Retorno (CCRS) almacenaría la muestra en el EES. El EES regresaría a la Tierra y aterrizaría pasivamente, sin paracaídas. Aproximadamente una semana antes de la llegada a la Tierra, y solo después de completar con éxito una verificación de seguridad completa del sistema, la nave espacial ERO se configuraría para realizar la fase de retorno a la Tierra. Cuando el orbitador esté a tres días de la Tierra, el EES se liberará de la nave espacial principal y volará una trayectoria de entrada de precisión hacia un sitio de aterrizaje predeterminado. Poco después de la separación, el propio orbitador realizará una serie de maniobras para entrar en órbita alrededor del Sol, sin regresar jamás a la Tierra. Se planea que la arena del desierto en el Campo de Pruebas y Entrenamiento de Utah y los materiales amortiguadores de impactos en el vehículo protejan las muestras de las fuerzas de impacto. ^{[ 201 ] [ 202 ] [ 196 ]} El EEV está programado para aterrizar en la Tierra en 2033. ^{[ 203 ]}

Concepto artístico de la sonda orbital de retorno de muestras de Marte

Sección transversal del orbitador de retorno a la Tierra

Orbitador de retorno a la Tierra

Sistema de captura y contención