Misión lunar COLMENA

En el segundo semestre de 2023, México enviará su primera misión espacial a la superficie de la Luna. Se trata de la primera misión mexicana —e iberoamericana— en tener como objetivo nuestro satélite. La importancia de este proyecto, encabezado por la UNAM y su Laboratorio de Instrumentación Espacial, LINX, va mucho más allá de su valor simbólico, pues será la primera etapa de una estrategia innovadora de desarrollo científico y tecnológico a largo plazo en el sector espacial. Para entender su impacto, antes debemos comprender cómo ha ido cambiando nuestra relación con el espacio exterior.

​ Desde el inicio de la agricultura y hasta mediados del siglo XX, el espacio exterior era visto como una herramienta auxiliar en la ciencia, los cultivos y otras actividades de la civilización humana. No había presencia de tecnología más allá de nuestra biósfera, y por ello a ese periodo se le conoce como Espacio 1.0. Espacio 2.0 designa la etapa de las primeras actividades de nuestra especie en el espacio exterior y tiene como hito fundamental la carrera espacial en el contexto de la Guerra Fría. Fue una época de competencia tecnológica estratégica, dominada por dos grandes bloques geopolíticos y sus agencias espaciales. El Espacio 3.0 es un momento de apertura a otros grandes actores internacionales en el marco de un ideal de cooperación tecnológica y cultural. Su ícono es la Estación Espacial Internacional. Espacio 2.0 y 3.0 son lo que en general nos viene a la mente cuando pensamos en acceso al espacio: agencias con presupuestos multimillonarios —como NASA, ROSCOSMOS, ESA, CNES, ASI, JAXA o CSA— que trabajan a la par de grandes empresas de los sectores civiles y de defensa como Boeing, Airbus, Lockheed Martin, Thales Alenia Space, Northrop Grumman o Leonardo. El Espacio 3.0 nos suena ajeno y prácticamente inaccesible. Por el contrario, el Espacio 4.0 representa una revolución cualitativa y cuantitativa en el sector espacial. Gracias a la miniaturización de la electrónica, a los avances en nanomateriales, inteligencia artificial y manufactura aditiva; así como al abaratamiento de los costos de lanzamiento, resultado de las nuevas tecnologías para reutilización de los cohetes, el umbral de acceso al sector espacial ha disminuido sustancialmente. Este nuevo límite ha provocado una multiplicación de nuevos actores, aplicaciones y servicios innovadores. Las últimas dos décadas han visto la creación de decenas de agencias espaciales en países emergentes, la generación de millares de startups disruptivas y pequeñas empresas espaciales, así como el ingreso efectivo de la academia a ese sector. Esta última no solo forma recursos humanos, sino lidera ahora proyectos de innovación y genera semillas de nuevos servicios y negocios.

Guillermo Ferla, 2019. Unsplash

​ Actualmente, el Espacio 4.0, o “nuevo espacio”, está centrado en órbitas bajas de entre 300 y 1500 kilómetros de altura, donde se implementarán constelaciones de satélites para nuevos tipos de servicios de internet global —brindado por Starlink de SpaceX o Project Kuiper de Amazon—, y de observación de la Tierra en tiempo real —ofrecido por Satellogic o Prometheo—. Pero no solo eso. También se han pensado nuevos tipos de servicios como gasolineras espaciales para recarga de combustible a satélites o polos industriales orbitales que alberguen y provean asistencia a fábricas espaciales de medicamentos, nanomateriales, semiconductores u otros productos manufacturados en condiciones de microgravedad. La energía requerida será producida en grandes cantidades y de forma constante por constelaciones de paneles solares orbitales y será distribuida vía microondas tanto a consumidores en la Tierra como a los orbitales. Asimismo, las agencias espaciales de China y Europa, Solaris y ESA, respectivamente, han realizado estudios de viabilidad para el despliegue de sistemas similares. Por su parte, el instituto de Caltech realizó con éxito en 2023 el proyecto MAPLE, el primer prototipo de generación de energía solar en órbita y su transmisión a Tierra, como un demostrador tecnológico. En las próximas décadas, esta pudiera ser una solución a los problemas energéticos de la humanidad.

Estampilla conmemorativa del primer paso de Neil Armstrong en la Luna, 1969

​ Otro de los proyectos concebidos plantea generar una infraestructura digital en órbita que permita interconectar y controlar dispositivos terrestres, marítimos y aéreos. También se trabaja en la creación de centros de cómputo de alto desempeño y nubes de datos para procesar información en la órbita terrestre baja. Así se podrán consumir y disipar eficiente y ecológicamente las grandes cantidades de energía requeridas por los servicios de blockchain e inteligencia artificial en los que se basará la economía mundial del futuro. Esto permitirá también garantizar su seguridad frente a catástrofes naturales en la superficie terrestre. Esta infraestructura digital se extenderá a la Luna, y eventualmente hacia el sistema solar interior y sus asteroides, a través de LunaNet, una nueva internet adecuada para administrar las distancias involucradas y los retardos de comunicación debido a la velocidad finita de la luz. De hecho, en la próxima década el Espacio 4.0 tiene contemplado extenderse para lograr una presencia permanente del ser humano y su tecnología en la Luna mediante del programa Artemis, en el que participan 28 países, principalmente del bloque occidental, liderados por Estados Unidos. Por su parte, China y Rusia han desarrollado programas similares.

​ La Luna tiene características únicas que la vuelven singular para la investigación científica básica y aplicada en áreas como física, astrofísica, química, planetología, origen y evolución del sistema solar, biología, medicina, entre otras. Se trata de un entorno con vastas extensiones deshabitadas, cráteres aislados, bajo ruido sísmico, un vacío mejor que el de cualquier laboratorio terrestre, grandes volúmenes de medio ambiente a temperaturas criogénicas, ausencia de atmósfera o ionósfera, una cara dirigida permanentemente hacia la Tierra y otra al hemisferio opuesto, apartada de los ruidos de radio humanos, pero no tan distante como para ser inaccesible para los láseres emitidos desde la Tierra.

​ La inexistencia de una ionósfera, por ejemplo, permite la instalación de observatorios de radio a frecuencias inferiores a 30 MHz de gran interés para el estudio de las épocas oscuras del universo: entre la emisión del fondo de microondas, la formación de la primera generación de estrellas y la reionización del medio intergaláctico. El lado lejano de la Luna, silencioso en radiofrecuencias, permite la construcción de observatorios centrados en la línea de 21 centímetros de hidrógeno neutro, que se espera que contenga información fundamental sobre la historia térmica del medio intergaláctico temprano, las propiedades radiactivas de los primeros fenómenos astrofísicos complejos entre z~150 y z~6,¹ lo que complementaría las observaciones del telescopio espacial James Webb.

​ Por otro lado, los ruidos sísmicos y newtonianos constituyen una importante fuente de fondo en los detectores de ondas gravitacionales terrestres. Sobre la Luna, la ausencia de mareas oceánicas, vientos y fuentes de ruido humano permite reducir el ruido de fondo por un factor de mil comparado con la Tierra. Las profundidades oscuras de los cráteres en el Polo Sur lunar pueden proveer así un ambiente con temperaturas criogénicas de 30 Kelvin y un vacío mil veces mejor que el del observatorio de ondas gravitacionales LIGO. Con sus más de 40 kilómetros de diámetro, estos cráteres son el entorno ideal para construir un detector de ondas gravitacionales entre 0.1 y 10 Hz que complemente el hueco de información dejado por el observatorio LIGO y el proyecto LISA.

Soviéticos estén orgullosos, abrieron el camino a las estrellas, póster de propaganda soviética. World History Archive

​ Estos son solo dos ejemplos de los muchos detectores de gran ciencia que pueden ser establecidos en la superficie lunar. Sin embargo, la Luna no solo es importante para la investigación científica. Nuestro satélite posee recursos minerales sumamente valiosos como agua, tierras raras, aluminio, berilio, litio, zirconio, titanio, niobio, tantalio, torio, uranio, helio-3, entre otros. Dado que el transporte de materiales entre la Tierra y la Luna es muy costoso, la presencia de estos recursos minerales es un habilitador fundamental para el establecimiento de la civilización humana y el desarrollo de labores científicas, tecnológicas y comerciales en la Luna.

​ En esta nueva época el ser humano no irá a la Luna de visita, sino para quedarse y realizar diversas actividades, muchas de ellas con fines comerciales: minería, construcción de infraestructura física y digital, fábricas de materiales y componentes, fabricación de robots, reactores nucleares y naves espaciales, producción de combustibles para naves espaciales, alimentos, energía solar y nuclear, construcción de habitáculos humanos, operación y mantenimiento de redes de comunicación, entre otros.

​ A pesar de contar con décadas de atraso en el sector espacial, nuestro país es uno de los signatarios de los Acuerdos de Artemis. Sin embargo, si no contamos con tecnologías propias de relevancia para aplicación lunar, difícilmente seremos un actor efectivo en ese proceso. COLMENA es entonces la estrategia del LINX para cubrir esta carencia.

​ El ambiente espacial es demasiado inhóspito para el ser humano. La gran mayoría de las tareas cotidianas en la Luna tendrán que ser realizadas por robots autónomos o controlados de forma remota. Estas máquinas serán altamente complejas y podrán incluir sensores sofisticados e inteligencia artificial, lo que incrementaría su tamaño, su costo y limitarían su disponibilidad. Su complejidad, en términos de ingeniería, se traduce en fragilidad; una pequeña falla en una de esas máquinas puede propagarse de manera catastrófica y llevar al fracaso a una misión completa. Estos obstáculos nos obligan a pensar en una vía alternativa, o quizá complementaria: el desarrollo de enjambres de robots relativamente simples que al trabajar en forma cooperativa puedan realizar tareas muy complicadas.

​ Los enjambres de grandes números de individuos idénticos que se distribuyen el trabajo en forma equitativa son una estrategia conocida que adoptan muchos insectos sociales en nuestro planeta. Ofrecen una serie de ventajas prácticas desde el punto de vista de la ingeniería: cuentan con capacidad de autoorganización y propiedades emergentes de un sistema complejo, es decir, el conjunto tiene propiedades que las partes aisladas por sí solas no. Estos robots tienen un bajo costo unitario, se pueden producir a escala, son robustos, pueden adaptarse a situaciones inesperadas y adecuarse al trabajo en baja gravedad (una cualidad que es importante para operar en la superficie de asteroides, por ejemplo). Además, un enjambre de decenas de millares de individuos puede perder una fracción importante de sus miembros y ver su eficiencia degradada, pero no anulada, lo que lo vuelve resiliente. Adicionalmente, si el trabajo lo realizara un robot muy sofisticado, actualizar el sistema tras la aparición de una nueva tecnología implicaría cambiarlo por completo. Sin embargo, al utilizar enjambres, el sistema se actualiza por partes, de modo que las diferentes generaciones de robots pueden coexistir y cooperar en un sistema único.

​ La estrategia innovadora de LINX consiste en desarrollar esta tecnología en México desde ahora y hasta la década de 2030. COLMENA es la primera de una serie de al menos tres misiones enviadas a la superficie lunar, y tiene como objetivo la obtención de una herramienta madura que pueda ser utilizada para aplicaciones prácticas de exploración científica, prospección o extracción minera.

Pequeños invitados en el palacio de la Luna, póster chino de principio de los setenta, después de enviar los satélites DFH-1 y SJ-I al espacio, 1969

​ Un robot pequeño, a escala de centímetros, es diferente en muchos aspectos fundamentales a uno grande con escala de metros. Por lo tanto, un robot de COLMENA no es una versión miniaturizada de un modelo grande. Su pequeña escala no le permite adoptar las técnicas usuales de mitigación de los efectos de la radiación o térmicos a los que está expuesto y plantea una interacción diferente con la superficie lunar, en particular con el regolito lunar y el plasma polvoroso que levita hasta alturas de 30 centímetros en el lado diurno. El regolito, un polvo muy fino, con dimensiones medias de unas pocas decenas de micrones, pero con granos que pueden medir tan solo algunos nanómetros, forma una capa de entre 20 y 100 metros de espesor sobre la Luna. Debido a la ausencia de atmósfera, la radiación UV del Sol llega a la superficie sin atenuarse y carga electrostáticamente al regolito. Esto provoca que los granos con dimensiones inferiores a un micrón sean repelidos por la superficie y leviten formando una capa de dos o tres decenas de centímetros. Si no es mitigado, este ambiente de granos cargados y polarizados electrostáticamente afecta las comunicaciones y produce daños mecánicos, cortocircuitos en la electrónica y blanketing de paneles solares. Los objetos masivos ejercen suficiente presión sobre el regolito como para que las partículas, que son muy irregulares, se bloqueen entre ellas y formen una superficie resistente. Por lo tanto, un vehículo pesado puede rodar o un astronauta caminar sin hundirse en ese terreno. Los granos más grandes, con tamaños de un micrón, no consiguen levitar y se quedan en la superficie, pero se repelen mutuamente con otros granos semejantes. Es probable que un vehículo pequeño y más liviano, como un robot de COLMENA, se enfrente a una especie de fluido sobre el cual debe navegar en vez de rodar. Estos problemas son incertidumbres muy difíciles de validar en un laboratorio terrestre. Una de las misiones es producir información sobre el comportamiento del medio de interacción con un objeto pequeño, algo que será muy relevante para el diseño de las misiones siguientes. Ya que muchas propiedades de esta capa límite se desconocen, COLMENA realizará mediciones sobre los tamaños medios de los granos en levitación, su densidad, constante dieléctrica efectiva, atenuación electromagnética, temperaturas, y otras características.

​ COLMENA será un enjambre de cinco robots que analizarán los problemas de sobrevivencia de objetos pequeños en todas las fases de la misión, desde el lanzamiento y la trayectoria cislunar hasta el alunizaje y la operación en la superficie lunar. Cada robot tiene un diámetro de poco más de 10 centímetros, una altura de 4 centímetros y una masa de 56 gramos. Toda su electrónica incluye sistemas de potencia solar, sistema de emergencia de potencia, computadora de bordo, sistemas de telecomunicaciones, sensores de campo magnético, corrientes, tensión, proximidad y temperaturas, acelerómetros, giroscopio magnetómetro 3D y motores para locomoción. Además, están implementados en un único circuito impreso y embebidos en la estructura mecánica manufacturada aditivamente. Los robots deberán ser transportados hasta la Luna en un contenedor, y desplegados sobre la superficie lunar lo suficientemente lejos de la nave madre para no quedar en su sombra o sobre terreno muy perturbado por los cohetes durante el alunizaje. La misión incluye también un sistema TTDM, formado por una cazoleta cilíndrica cerrada y térmicamente protegida, donde los robots irán acomodados como galletas en un paquete. Este contenedor está montado sobre una catapulta que los eyectará sobre la superficie después de un alunizaje exitoso. El TTDM quedará en la nave madre y hará de estación de telecomunicaciones entre el centro de control en Tierra y los robots. También cuenta con una computadora a bordo que procesa los datos de los robots, así como sensores y sistemas de radio de diversas frecuencias con los que interactúa para la realización de las mediciones. Una vez en la Luna, la misión tendrá una duración de aproximadamente diez días terrestres, desde media mañana lunar hasta el atardecer lunar, tiempo suficiente para cumplir con los objetivos científicos y de ingeniería programados.

​ COLMENA fue concebido, diseñado y construido en el LINX por un equipo multidisciplinar de más de 250 alumnos de carreras tan variadas como ingeniería, física, matemáticas, astronomía, geología, psicología, arte, diseño y derecho.

​ La misión está integrada al módulo de alunizaje, probada y lista desde febrero de 2023. Será lanzada por el cohete Vulcan-Centauro de la empresa United Launch Alliance, ULA, desde Cabo Cañaveral en Florida, Estados Unidos, y transportada hasta la Luna por el módulo Peregrine de la empresa Astrobotic. Será operada desde el Centro de Operación y Control de LINX en el Instituto de Ciencias Nucleares en la UNAM. Actualmente, el LINX trabaja en la segunda misión de la serie, Moon Worm (o COLMENA 2).

Imagen de portada: Pequeños invitados en el palacio de la Luna, póster chino de principio de los setenta, después de enviar los satélites DFH-1 y SJ-I al espacio, 1969