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Dragonfly (sonda)

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Dragonfly

Impresión artística de la nave Dragonfly en la superficie de Titán
Nombres New Frontiers 4
Tipo de misión Aeronave de rotor Titán
Operador NASA / APL
ID NSSDCA DRAGONFLY
Página web enlace
Duración de la misión 10 años (planificado)
3,3 años (fase científica)
Propiedades de la nave
Tipo de nave Módulo de aterrizaje para aeronaves de rotor
Fabricante Laboratorio de Física Aplicada
Masa de lanzamiento 450 kilogramos
Masa de aterrizaje ≈450 (990 lb)
Potencia eléctrica 70 vatios (deseado) de un MMRTG
Comienzo de la misión
Lanzamiento 5–25 de julio de 2028 (previsto)
Vehículo Falcon Heavy
Lugar Kennedy, LC-39A
Contratista SpaceX
Orbitador de Saturno
Acercamiento a Titán
Insignia de la Misión Dragonfly
Insignia de la misión Dragonfly
←  OSIRIS-REx
(New Frontiers 5)  →

[editar datos en Wikidata]

Dragonfly es una próxima misión de la NASA para enviar una nave roótica de rotor a la superficie de Titán, la luna más grande de Saturno. Se lanzará en julio de 2028 y llegará en 2034, convirtiéndose en el primer avión en Titán. Construido para estudiar la química prebiótica y la habitabilidad extraterrestre, está destinado a realizar el primer vuelo atmosférico propulsado y totalmente controlado en cualquier satélite natural. Luego utilizará su capacidad de despegues y aterrizajes verticales (VTOL) para desplazarse entre sitios de exploración.[1][2][3]

Titán es el único cuerpo extraterrestre del Sistema Solar con una química abundante, compleja y diversa rica en carbono y una superficie denominada por hielo de agua. con un océano de agua interior, lo que lo convierte en un objetivo prioritario para estudios de astrobiología y origen de la vida.[1] La misión fue propuesta en abril de 2017 al programa New Frontiers de la NASA por el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL), y fue seleccionada como una de las 2 finalistas (de 12 propuestas) en diciembre de 2017 para perfeccionar aún más el concepto de la misión.[4][5] El 27 de junio de 2019, Dragonfly fue seleccionada para convertirse en la cuarta misión de New Frontiers.[6][7] En abril de 2024, la misión fue confirmada y trasladada a sus etapas finales de desarrollo.[8]

Resumen

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Representación artística de la entrada, descenso y aterrizaje (EDL) y la secuencia de despegue y aterrizaje del Dragonfly a fecha de 2026

Dragonfly es una misión astrobiológica a Titan para evaluar su habitabilidad microbiana y estudiar su química prebiótica en varios lugares. Dragonfly está diseñado para realizar vuelos controlados y despegues y aterrizajes verticales entre ubicaciones. La misión es realizar vuelos múltiples a ubicaciones en la superficie, lo que permite tomar muestras de diversas regiones y contextos geológicos.[9][10]

Titán es un objetivo atractivo para la astrobiología porque su superficie contiene abundante química compleja rica en carbono y porque tanto agua líquida (transitoria) como hidrocarburos líquidos pueden encontrarse en su superficie, formando posiblemente una sopa primordial prebiótica.

Un vuelo exitoso de Dragonfly la convertiría en la segunda nave de rotores en volar sobre un cuerpo celeste distinto de la Tierra. El primero fue Ingenuity, un helicóptero no tripulado que aterrizó en Marte con el rover Perseverance el 18 de febrero de 2021 como parte de la misión Mars 2020 y logró su primer vuelo propulsado el 19 de abril de 2021.[11][12][13]

Historia

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La misión TSSM previamente descartada propuso un avión Titan en forma de un globo Montgolfier con una góndola para aterrizaje.

La concepción inicial de Dragonfly tuvo lugar durante una conversación durante una cena entre los científicos Jason W. Barnes del Departamento de Física de la Universidad de Idaho (quien previamente había hecho la propuesta AVIATR para un avión Titan) y Ralph Lorenz del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, y se tardaron 15 meses en convertirla en una propuesta de misión detallada.[9] La investigadora principal es Elizabeth Turtle, científica planetaria del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins.[10]

La misión Dragonfly se basa en varios estudios previos de exploración aérea móvil de Titan, incluyendo el estudio Titan Explorer Flagship de 2007,[14] que defendía un globo Montgolfier para la exploración regional, y AVIATR, un concepto de avión considerado para el programa Discovery.[9] El concepto de un módulo de aterrizaje de rotores que volara con energía de batería, recargada durante la noche de Titán de 8 días terrestres a partir de una fuente de energía de radioisótopos, fue propuesto por Lorenz en el año 2000.[15] En debates más recientes se ha incluido un estudio de rotores Titan en 2014 realizado por Larry Matthies, en el Laboratorio de Propulsión a Chorro, que consistía en que una pequeña aeronave de rotor se desplegaría desde un módulo de aterrizaje o un globo.[16] Los conceptos de globos aerostáticos habrían utilizado el calor de un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG).[17]

Versión de 2021 de Dragonfly

Dragonfly utilizará su vehículo multirrotor para transportar su conjunto de instrumentos a múltiples ubicaciones y así realizar mediciones de la composición superficial, condiciones atmosféricas y procesos geológicos.

Dragonfly y CAESAR, una misión de retorno de muestras de cometas a 67P/Churyumov–Gerasimenko, fueron los 2 finalistas para la Misión 4 del programa New Frontiers,[18][19] y el 27 de junio de 2019, la NASA selecciono a Dragonfly para su desarrollo con un plan de lanzamiento en junio de 2027.[20][21]

El 3 de marzo de 2023, Dragonfly superó su revisión preliminar de diseño (PDR).[22] En noviembre de 2023, tras la decisión de la NASA de posponer la confirmación formal de la misión debido a incertidumbre de financiación, el lanzamiento se retrasó un año, con una nueva fecha de lanzamiento fijada para julio de 2028.[23] El 25 de noviembre de 2024, la NASA anunció el premio al servicio de lanzamiento para la misión Dragonfly. Dragonfly despegará en un Falcon Heavy de SpaceX con un periodo de lanzamiento previsto del 5 al 25 de julio de 2028.

El 25 de abril de 2025, Dragonfly superó su fase de revisión crítica de diseño, que marca el inicio de la construcción física a gran escala y las pruebas de la sonda.[24]

Durante el cierre de gobierno federal en 2025, el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA comenzó a cerrar varios edificios y consolidar equipos, lo que la agencia describe como una "consolidación estratégica" preplanificada que no se espera afecte a las misiones.[25] Un portavoz de la NASA dijo a CNN que el trabajo en el Telescopio espacial Nancy Grace Roman y la misión Dragonfly continuarían durante el cierre como operaciones exceptuadas.[25]

Según Space.com, algunos empleados del centro expresaron preocupación de que la forma y el momento de los cierres pudieran interrumpir el trabajo en esos proyectos,[26] y CNN informó que un documento interno elaborado por el personal de Goddard citaba posibles impactos en laboratorios especializados de pruebas.[25]

La construcción de la nave comenzó el 10 de marzo de 2026.[27]

El 1 de junio de 2026, el equipo de diseño y pruebas de Dragonfly anunció que las pruebas termo-estructurales del escudo térmico de la sonda de entrada habían completado en el desierto de Nuevo México utilizando la Torre Solar de Sandia, una instalación de pruebas que utiliza cientos de sistemas calibrados en forma de espejo para enfocar la energía del Sol en la unidad de escudo térmico de prueba. El escudo térmico de prueba resistió con éxito el calor extremo, aunque se habían introducidos defectos intencionalmente en la unidad. En el mismo anuncio, el equipo también informó que recientemente había medido los patrones de señal emitidos por la antena de alta ganancia (HGA) de Dragonfly en una cámara de pruebas APL diseñada para simular un entorno espacial.[28][29]

El 29 de junio, la misión Dragonfly alcanzó un hito importante de desarrollo cuando el equipo de la misión del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins (APL) entregó el fuselaje de casi 4 metros (13 pies) de la nave para la siguiente fase de integración antes de lo previsto. La entrega siguió aproximadamente un mes de pruebas estructurales del conjunto del bastidor del módulo de aterrizaje, que incluye los patines de aterrizaje, la cubierta del sistema de potencia de radioisótopos de la nave y los brazos que soportarán los 8 conjuntos de rotores de Dragonfly.[30]

Tras la finalización de las pruebas estructurales, la integración de los sistemas mecánicos, térmicos y eléctricos de la nave comenzó el 1 de julio. Durante esta fase, los ingenieros instalaron los mamparos de vuelo, arneses de cables y conectores eléctricos dentro de fuselaje. Se programó la integración adicional de aviónica, subsistemas electrónicos e instrumentos científicos tras la finalización de su ensamblaje y pruebas por parte de las instituciones asociadas a la misión.[30]

El dron Dragonfly suspendido por cuerdas elásticas durante sus pruebas de vibración en el suelo en julio de 2026

Durante las pruebas de vibración, se instalaron simuladores de masa en lugar de los instrumentos de vuelo y la electrónica, que estaban siendo ensamblados y probados en otras instalaciones. Para la prueba de vibración en tierra, la estructura de la aeronave de rotor se suspendió varios centímetros sobre el suelo mediante largas cuerdas elásticas, lo que permitió a los ingenieros medir como las vibraciones generadas en los puntos de fijación del rotor se propagaban a través del fuselaje hacia sensores críticos. Según el equipo de misión, suspender el vehículo de esta manera proporcionaba una configuración estructural comparable a la esperada durante el primer vuelo de Dragonfly. La campaña de vibraciones también incluyó una configuración de "sentado", en la que el módulo de aterrizaje mientras los ingenieros medían la respuesta estructural esperada durante las operaciones en superficie en Titán.[30]

Financiación

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Las misiones CAESAR y Dragonfly recibieron cada una financiación de 4 millones de dólares estadounidenses hasta finales de 2018 para desarrollar y madurar aún más sus conceptos.[18] La NASA anunció que la selección de Dragonfly el 27 de junio de 2019, que se espera que se construya y lance en julio de 2028.[23] Dragonfly es el cuarto en el portafolio New Frontiers de la NASA, una serie de investigaciones planetarias lideradas por investigaciones principales que se encuentran bajo un límite de coste de desarrollo de aproximadamente 850 millones de dólares estadounidenses, y incluyendo los servicios de lanzamiento, la proyección total de costes es de aproximadamente 1.000 millones de dólares estadounidenses.[31] En abril de 2024 se publicó una proyección total de costes revisada, y ahora se espera que Dragonfly incurra en un coste total de vida de 3.350 millones de dólares estadounidenses debido a los aumentos en cadena de suministro y retrasos provocados por la pandemia de COVID-19.[8]

Objetivos científicos

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El descenso de la sonda atmosférica Huygens a Titán, con vídeo y datos en 2005

Titán es similar a la Tierra primitiva y puede proporcionar pistas sobre cómo pudo haber surgido la vida en la Tierra. En 2005, el módulo Huygens de la Agencia Espacial Europea obtuvo algunas mediciones atmosféricas y superficiales en Titán, detectando tholins,[32] que son una mezcla de varios tipos de hidrocarburos (compuestos orgánicos) en la atmósfera y en la superficie.[33][34] Debido a que la atmósfera de Titán oculta la superficie en muchas longitudes de onda, las composiciones específicas de los materiales sólidos de hidrocarburos en la superficie de Titan permanecen esencialmente desconocidas.[35] Medir la composición de materiales en diferentes contextos geológicos pretende revelar hasta qué punto ha avanzado la química prebiótica en entornos que proporcionan ingredientes claves conocidos para la vida, como las pirimidinas (bases usadas para codificar información en el ADN) y los aminoácidos, los bloques básicos de las proteínas.[36]

Las áreas de particular interés son lugares donde el agua líquida extraterrestre en impacto se derrite o posibles flujos criovolcánicos pudieron haber interactuado con los abundantes compuestos orgánicos. Dragonfly proporcionaría la capacidad de explorar lugares diversos para caracterizar la habitabilidad del entorno de Titán, investigar hasta qué punto ha avanzado la química prebiótica y buscar biofirmas indicativas de vida basadas en agua como disolvente e incluso en tipos hipotéticos de bioquímica.[1]

La atmósfera contiene abundante nitrógeno y metano, y una fuerte evidencia indica que existe metano líquido en la superficie. La evidencia también indica la presencia de agua líquida y amoníaco bajo la superficie, que pueden ser suministrados por actividad criovolcánica.[37]

Diseño y construcción

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Dragonfly está diseñado como un módulo de aterrizaje para aeronaves de rotor, muy parecido a un gran cuadricóptero con rotores dobles, conocido como octocóptero.[9] La configuración del rotor proporciona redundancia para permitir que la misión tolere la perdida de al menos un rotor o motor.[9] Cada uno de los 8 rotores de la nave tiene un diámetro de 1,35 m (4,4 pies).[38][39] El avión viajaría a unos 10 m/s (36 km/h; 22 mph) y ascendería hasta una altitud de hasta 4 km (13.000 pies).[9] La nave está diseñada para operar en un entorno de radiación espacial y con temperaturas medias de 94 K (−179,2 ºC).[40]

El vuelo en Titán es aerodinámico benigno. La baja gravedad de Titán y la escasez de viento de su atmósfera densa permiten una propulsión por rotor eficiente y sin obstáculos.[40] La potencia necesaria para lograr el vuelo para una masa dada es aproximadamente 40 veces menor que la requerida en la Tierra.[9] La atmósfera posee, 1,45 veces la presión y aproximadamente 4 veces la densidad de la Tierra, y cuando se combina con una gravedad local que representa el 13,8 % de la Tierra, el vuelo se vuelve un orden de magnitud más fácil de mantener. A pesar de estas ventajas, las bajas temperaturas de Titan, sus menores niveles de luz y la mayor resistencia atmosférica sobre el fuselaje presentarán todos desafíos.[17]

Dragonfly debería poder volar varios kilómetros,[41] alimentado por una batería de iones de litio, que se recargará durante la noche mediante un Generador Termoeléctrico Multi-Misión de Radioisótopos (MMRTG).[15] Los MMRTG convierte el calor de la desintegración natural de un radioisótopo en electricidad.[9] También se reservan 24 Unidades de Calentamiento de Radioisótopos (RHUs) para esta misión.[42] La aeronave de rotores debería poder recorrer 16 km (10 mi) con cada carga de batería y mantenerse en el aire durante media hora cada vez.[43] El vehículo tendrá sensores para explorar nuevos objetivos científicos y luego regresará al lugar original hasta que los controladores de misión aprueben nuevos destinos de aterrizaje.[43][44]

La aeronave de rotores Dragonfly pesará aproximadamente 875 kg (1.929 lb)[45] y estará empaquetada dentro de un escudo térmico de 3,7 m (12 pies) de diámetro.[9] Las muestras de regolito deben obtenerse mediante 2 taladros y mangueras de adquisición de muestras, una en cada patín de aterrizaje, para su entrega al instrumento del espectrómetro de masas.[9]

Un concepto artístico del helicóptero Dragonfly acercándose a un lugar en Titán

La nave debe permanecer en tierra durante las noches de los Titanes, que duran aproximadamente 8 días terrestres o 192 horas.[9] Las actividades durante la noche pueden incluir la recogida y análisis de muestras, estudios sismológicos como el diagnóstico de la actividad de olas en los mares de hidrocarburos del norte, monitorización meteorológica y imágenes microscópicas locales utilizando iluminadores LED como lo que se han realizado en el módulo de aterrizaje Phoenix y el rover Curiosity.[9][46] La nave está diseñada para comunicarse directamente con la Tierra mediante una antena de alta ganancia.[9]

El Centro de Excelencia de Investigación en Sustentación Vertical de Penn State es el responsable del diseño y análisis de rotores, desarrollo del control de vuelo de aeronaves de rotor, desarrollo de bancadas de pruebas de rotores escalados, apoyo de pruebas en tierra y evaluación del rendimiento de vuelo.[47]

Carga útil científica

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Vídeo mostrando el modelo 3D de Dragonfly con todos sus instrumentos
La carga científica de Dragonfly

Antena de alta ganancia

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La antena de alta ganancia de Dragonfly siendo probada en una cámara de pruebas. Los conos de fondo absorben ondas de radio dispersas, ayudando a simular las condiciones del espacio abierto.

La antena de alta ganancia (HGA) de la sonda es una antena de ranura radial en forma de disco de 87 m (34,4 in) de diámetro que utiliza numerosas ranuras pequeñas para producir un haz de radio de transmisión estrecho y enfocado. El HGA servirá como antena principal de Dragonfly para transmitir datos científicos, y estará montado en un cardán en la parte superior del módulo de aterrizaje, permitiéndole rastrear la Tierra desde diferentes ubicaciones a lo largo de la superficie de Titán. Protegido por una capa de aislamiento térmico Kapton, está diseñado para funcionar en el entorno gélido de Titán, donde las temperaturas medias son de aproximadamente de −179 ºC (94 K; −290 ºF).[28][29]

El HGA es una de las 3 antenas a bordo de Dragonfly. La nave también llevara una antena de ganancia media como sistema de comunicaciones de respaldo y una antena de baja ganancia para transmitir tonos de estado durante el vuelo y apoyar las comunicaciones de emergencia.[28][29]

Escudo térmico

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Dragonfly estará protegida del calor de la entrada a través de la densa atmósfera de Titán mediante un escudo térmico. El material de protección térmica de este escudo térmico está hecho de fibra de carbono y una resina ligera (tipo exacto no especificado a junio de 2026). Utilizando cientos de sistemas de espejos calibrados con precisión de la Torre Solar de Sandia, los investigadores concentraron la energía solar en su unidad de prueba. Este montaje producía temperaturas de aproximadamente 2500 grados Celsius (4532,0 °F) en secciones del material del escudo térmico de Dragonfly. Las pruebas evaluaron tanto la resistencia del material a la intensa radiación térmica como su capacidad para soportar las rápidas fluctuaciones de temperatura esperadas durante la misión. El escudo térmico funcionó como se esperaba en pruebas mecánicas y térmicas combinadas en el caluroso desierto de Nuevo México, incluso en casos en los que estaba intencionadamente marcado por defectos.[28][29]

Cronología de misión

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Una imagen global de Titán mostrando a Ahmakid Undae (resaltado en violeta), el futuro lugar de aterrizaje de Dragonfly.

Trayecto

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La diapositiva de presentación del Dr. Jason W. Barnes, mostrando la trayectoria de Dragonfly hacia Titán. La fecha prevista de llegada esta desactualizada.

Se espera que Dragonfly despegue en julio de 2028[49] en un Falcon Heavy[50] y tarde 6 años en llegar a Titán, llegando para 2034. La nave realizará un sobrevuelo por asistencia gravitatoria sobre la Tierra para ganar velocidad adicional en su camino a Titán.[51] La nave seria la próxima misión dedicada al Sistema Solar exterior que no visitaría Júpiter, ya que este método tradicional de sobrevuelo asistido por gravedad no estará muy cerca de la trayectoria prevista hacia Saturno.[52]

Entrada y descenso

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La etapa de crucero debe separarse de la cápsula de entrada 10 minutos antes de encontrarse con la atmósfera de Titán.[43] El módulo descendería entonces a la superficie de Titán usando una aeroshell y una serie de 2 paracaídas, mientras que la etapa de crucero agotada se consumiría en una entrada atmosférica incontrolada. Se espera que la duración de la fase de descenso sea de 105 minutos.[53] La aeroshell se deriva de la cápsula de retorno de muestras Genesis y el escudo térmico PICA es similar al diseño MSL y Mars 2020, y debería proteger la nave durante los primeros 6 minutos de su descenso. Aunque la atmósfera de Titán es rica en nitrógeno similar a la de la Tierra, la sonda podría encontrarse con un entorno de entrada más extremo que podría aumentar la erosión ablativa de su escudo térmico de lo que se esperaba anteriormente.[54][55]

A una velocidad de Mach 1,5, debe desplegarse un paracaídas de frenada, para reducir la velocidad de la cápsula a velocidades subsónicas. Debido a la atmósfera comparativamente densa y baja gravedad de Titán, la fase del paracaídas de freno debería durar 80 minutos.[53] Un paracaídas principal más grande sirve para reemplazar el paracaídas de freno cuando la velocidad de descenso sea suficientemente baja. Durante los 20 minutos en el paracaídas principal, el módulo de aterrizaje debe prepararse para la separación. El escudo térmico será expulsado, los patines de aterrizaje se extenderán y se activarán sensores como radar y lidar.[53] A una altitud de 1,2 kilómetros (0,7 mi) el módulo de aterrizaje debe ser liberado de su paracaídas para un vuelo propulsado hacia la superficie. El lugar específico de aterrizaje y la operación de vuelo deben realizarse de forma autónoma. Esto es necesario porque la antena de alta ganancia no se desplegaría durante el descenso, y porque la comunicación entre la Tierra y Titán tarda entre 70 y 90 minutos en cada dirección.[43]

Lugar de aterrizaje

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Se planea que Dragonfly aterrice en las dunas de arenas al suroeste del cráter Selk (visible en la parte superior derecha), en una zona llamada Ahmakid Undae.

Se planea que la aeronave de rotores Dragonfly aterrice inicialmente en una zona de dunas de arena llamada Ahmakiq Undae, situada al suroeste de la estructura de impacto de Selk.[56] Se planea explorar esta región en una serie de vuelos de hasta 8 kilómetros (5 mi) cada uno y obtener muestras de zonas fascinantes con una geografía diversa. Tras el aterrizaje, se planea viajar al cráter de impacto Selk, donde, además de compuestos orgánicos tholin, hay evidencia de agua líquida pasada.[57]

El cráter Selk es un cráter de impacto geológicamente joven de 90 kilómetros (55,9 mi) de diámetro, situado a unos 800 kilómetros (497,1 mi) al norte-noroeste del módulo de aterrizaje Huygens.[58] (7°00′N 199°00′O / 7.0, -199.0)[59][60] Las mediciones infrarrojas y otros espectros realizados por el orbitador Cassini muestran que el terreno adyacente muestra un brillo que sugiere diferencias en la estructura o composición térmica, posiblemente causadas por el criovulcanismo generado por el impacto – una capa fluidizada de eyección y flujos de fluido, ahora hielo de agua.[58] Una región que presenta una mezcla de compuestos orgánicos y hielo de agua es un objetivo convincente para evaluar hasta qué punto pudo haber avanzado la química prebiótica en la superficie.[57]

El 13 de abril de 2026, la Unión Astronómica Internacional (IAU) aprobó el nombre oficial del lugar de aterrizaje de Dragonfly, Ahmakiq Undae, que fue nombrado en honor al espíritu del viento maya Ahmakiq.[61]

Véase también

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Referencias

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