O futuro das missões de pouso em superfícies planetárias
O pouso direto de veículos de exploração científica em superfícies planetárias oferece uma oportunidade única para realizar medições e aquisição de dados que não podem ser coletados por veículos em órbita do objeto. Por outro lado, os níveis de incerteza associados às variáveis que descrevem um ambiente radicalmente diferente do ambiente terrestre também impõem um desafio único aos responsáveis pelo planejamento da missão. Dadas as distâncias envolvidas e o tempo de comunicação, não é possível a humanos direcionarem diretamente, em tempo real, o processo de pouso. Marte, por exemplo, está a 8,3 minutos-luz da Terra; Júpiter, a 12,6 minutos. Em muitos casos de interesse, é impossível ou impraticável realizar o mapeamento “completo” da superfície antes do lançamento de um veículo de pouso. Mesmo Marte, com área de superfície próxima à da Terra (desconsiderando os oceanos), que tem sido sistematicamente explorado desde a década de 1960 e que tem neste momento 14 veículos em órbita (6 deles ainda ativos), ainda não teve sua superfície mapeada no nível mais alto de detalhe.
O problema é maior para as luas geladas dos planetas exteriores, que nunca foram exploradas por veículos orbitadores próprios e são submetidas a níveis de radiação que tornam impraticáveis missões de mapeamento com a duração mínima necessária para gerar mesmo mapas de baixa resolução. Por outro lado, do ponto de vista científico, esses são exatamente os alvos de maior valor no Sistema Solar, dada a existência, em alguns casos, de enormes oceanos de água líquida debaixo de camadas de gelo superficial, aquecidos por processos geológicos internos que são induzidos pelas grandes forças gravitacionais e radiação emitida pelos planetas que orbitam. Em grande medida, supõe-se que esses ambientes internos se aproximam bastante dos ambientes primordiais na Terra que deram origem às primeiras formas de vida em nosso planeta, sendo possível que sejam ambientes favoráveis para o desenvolvimento de formas de vida (habitáveis), incluindo a existência atual de micro-organismos (habitados). Sobre o interesse astrobiológico, diz a Wikipedia:
An ocean world’s habitation by Earth-like life is limited if the planet is completely covered by liquid water at the surface, even more restricted if a pressurized, solid ice layer is located between the global ocean and the lower rocky mantle. Simulations of a hypothetical ocean world covered by 5 Earth oceans’ worth of water indicate the water would not contain enough phosphorus and other nutrients for Earth like oxygen-producing ocean organisms such as plankton to evolve. On Earth, phosphorus is washed into the oceans by rainwater hitting rocks on exposed land so the mechanism would not work on an ocean world. Simulations of ocean planets with 50 Earth oceans’ worth of water indicate the pressure on the sea floor would be so immense that the planet’s interior would not sustain plate tectonics, volcanism to provide the right chemical environment for terrestrial life.
On the other hand, small bodies such as Europa and Enceladus are regarded as particularly habitable environments because their oceans are in direct contact with the underlying silicate core, a potential source of both heat, and biologically important chemical elements. The surface geological activity of these bodies may also lead to the transport to the oceans of biologically-important building blocks implanted at the surface, such as organic molecules from comets or tholins — formed by solar ultraviolet irradiation of simple organic compounds such as methane or ethane, often in combination with nitrogen.
Vários desses alvos de interesse são caracterizados por ambientes de baixa gravidade (própria) e atmosfera tênue ou inexistente, o que permite ao veículo economizar recursos e favorece a extensão (vantajosa) do período de definição do local de pouso. A estratégia clássica de pouso em superfíceis planetárias envolvia a identificação prévia (isto é, por especialistas humanos, antes do lançamento do veículo) de grandes áreas consideradas relativamente seguras e interessantes de acordo com os objetivos científicos específicos da missão, mas sem conhecimento detalhado do terreno. Um processo decisório que pode durar 5 anos ou mais. No caso de Marte, por exemplo, o planejamento dos pousos admite-se erros de até 100 km e o risco de pousar próximo de ou sobre um grande obstáculo desconhecido. Novas missões para Marte, para o curto e médio prazos (a começar pela Mars 2020, o próximo rover), já têm como objetivo usar mapas de resolução mais alta para definir alvos mais precisos para o pouso.
Exploração de Europa
Nos planetas exteriores, embora Enceladus seja o destino mais interessante, Europa tem sido priorizado pela menor distância. Desde o fim da missão Galileo no sistema de Júpiter, em 2003, o Jet Propulsion Lab (JPL) tem trabalhado em mission concepts para exploração específica de Europa. O Europa Clipper é uma missão que começou a ser concebida por volta de 2011 e atualmente está em uma fase de planejamento prévio. O objetivo é fazer múltiplos sobrevôos próximos o suficiente para coletar, por meio de 9 instrumentos pré-selecionados, dados relevantes para estudos da habitabilidade de Europa e para a seleção de locais para um veículo pousador a ser enviado posteriormente. A previsão de lançamento é entre 2022 e 2025, levando de 3 a 6 anos para atingir o destino. Se for lançado pelo novo Space Launch System, ainda em desenvolvimento, que seria capaz de colocá-lo em trajetória direta, o Clipper poderia chegar a Europa em menos de 3 anos. (O Clipper seria apenas a segunda missão “confirmada” do novo lançador.) No entanto, dados os atrasos e as incertezas envolvendo o desenvolvimento do SLS (que também explicam a incerteza sobre o ano de lançamento), o Clipper também pode ser lançado por um Atlas V clássico, caso em que precisaria de uma “assistência gravitacional” e levaria até 6 anos para atingir o destino (além de limitar ainda mais o número e peso dos instrumentos à bordo). Uma vez em Europa, o Clipper levará 3 anos pra mapear 95% da superfície com uma resolução de 50 metros por pixel.
Existe o conceito de uma missão separada para enviar um veículo pousador para Europa (Europa Lander), mas que ainda não foi selecionada para desenvolvimento. (Na prática, pelo segundo ano consecutivo o governo americano deixou a missão de fora da proposta de orçamento para o ano seguinte). Uma sugestão de trajetória prevê o lançamento por um SLS (uma necessidade, dadas as configurações da missão) em 2025, chegando em Europa em 2030. (Note que, nesse ponto, o Clipper nesse ponto poderá ou não ter completado o mapeamento da superfície. Desse modo, atrasos e outros tropeços no desenvolvimento do Clipper certamente influenciarão os planos do Lander). Na concepção atual, o Lander passaria vários meses orbitando Júpiter em preparação para a longa manobra que o permitiria pousar em Europa, usando o mesmo procedimento usado para colocar a Curiosity na superfície de Marte (skycrane system). Como a atmosfera de Europa é extremamente tênue, serão apenas 3 fases: “desorbitação”, descida e pouso. Idealmente, o Lander usaria o Clipper como “relay” para comunicação com a Terra, contaria com um sistema para coletar amostras (algo para fazer derreter ou perfurar o gelo), levaria câmeras e até 5 instrumentos científicos (sismômetro, magnetômetro, espectrofotômetro de infravermelho e microscópio ótico-fluorescente). O Lander tentaria operar por 3 semanas na superfície de Europa.
Seleção autônoma ou semi-autônoma de locais para pouso
Note que é possível que o mapeamento da superfície de Europa pelo Clipper ocorra ao mesmo tempo em que o Lander percorre sua trajetória até Júpiter. Ou seja, o trabalho de seleção de locais para pouso por especialistas humanos ocorrerá integralmente ao longo da missão.
Para futuras missões, no entanto, uma outra possibilidade é incluir no próprio veículo pousador os recursos necessários para fazer a identificação de locais adequados para pouso, auxiliados, por exemplo, por sensores capazes de fazer varreduras do terreno (image-based hazard detection). Com sensores já disponíveis hoje é possível realizar funções de avaliação de alta precisão de locais para pouso, por uma fração do custo envolvido em uma estratégia de exploração em que se envia um orbitador primeiro, para mapear parte da superfície por um longo tempo, e só depois um veículo pousador. A implementação de uma estratégia com seleção autônoma ou semi-autônoma de locais para pouso é considerada fundamental para realizar a exploração detalhada de partes mais distantes e mais interessantes do Sistema Solar, considerando um horizonte de tempo e orçamento finitos.