SPRITE (sonda)

Muchas cuestiones fundamentales sobre Saturno no habían sido completamente investigadas al finalizar la misión Cassini–Huygens en septiembre de 2017, debido a limitaciones en su diseño e instrumentación científica.^[1][2] Se requieren mediciones directas de la estructura atmosférica y de la abundancia de gases nobles y elementos en el planeta para poder distinguir entre los distintos modelos teóricos de formación del Sistema Solar, así como para proporcionar un mejor contexto para el estudio de gigantes gaseosos fuera de nuestro sistema.^[3]

La misión fue propuesta por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de California, con Amy Simon, del Centro de Vuelo Espacial Goddard, como investigadora principal.

El concepto de misión SPRITE fue propuesto en 2016 como candidato a convertirse en la cuarta misión del programa New Frontiers de la NASA, pero no fue seleccionado para su desarrollo. La misión finalmente elegida fue Dragonfly, destinada a Titan,^[4] mientras que la misión de retorno de muestras cometarias CAESAR fue seleccionada para estudio, pero no como opción final.^[5]

Dado el funcionamiento del programa, el concepto podría volver a presentarse en futuros procesos de selección. El programa New Frontiers contempla misiones de mayor envergadura y con menos oportunidades de selección, y comenzó con la sonda New Horizons, destinada a Plutón y más allá, con presupuestos superiores a 850 millones de dólares.^[6]

El informe decenal de ciencias planetarias 2013–2022 señaló una posible misión de sonda a Saturno como un objetivo de alta prioridad para el programa New Frontiers de la NASA, debido a la necesidad de realizar mediciones hasta profundidades de 10 bares o más.^[7]

El equipo de SPRITE señaló que, para desarrollar una mejor comprensión de la formación, evolución y estructura del Sistema Solar, es esencial entender el papel de nuestros planetas gigantes, lo cual no puede lograrse sin mediciones in situ de la composición, estructura, dinámica y procesos de la atmósfera de Saturno.

Para ello, los científicos de la misión establecieron los siguientes objetivos principales:

• Recopilar y analizar evidencias sobre la formación y evolución temprana de Saturno.^[8]
• Obtener un inventario químico de la troposfera de Saturno para distinguir entre modelos de formación planetaria y determinar el grado de migración en el Sistema Solar primitivo.
• Determinar la depleción de helio en Saturno para reconciliar las temperaturas observadas con los modelos de evolución térmica.
• Revelar la naturaleza de las capas situadas bajo las nubes de Saturno.
• Medir la química atmosférica de Saturno para validar modelos de condensación e interpretar observaciones remotas de su composición.
• Caracterizar la estructura de las nubes troposféricas de Saturno, proporcionando una base empírica para los modelos de recuperación de nubes.
• Determinar la dinámica atmosférica tridimensional en un punto concreto, con el fin de acotar los modelos de circulación global y de variabilidad temporal en los movimientos de las cimas nubosas.

El concepto de misión SPRITE consiste en una nave portadora y de retransmisión (Carrier Relay Spacecraft, CRSC) y una sonda de entrada que descendería al menos hasta una presión de 10 bares.^[9]

La estrategia de descenso contempla el uso de un escudo térmico seguido de un paracaídas, lo que permitiría a la sonda disponer de hasta dos horas para recopilar datos. Durante su descenso, la sonda proporcionaría mediciones directas de la composición y de la estructura atmosférica , aportando información científica no accesible mediante observaciones remotas.

La nave CRSC, alimentada por energía solar, transportaría un sistema de imagen multicanal para obtener imágenes antes de la entrada atmosférica y proporcionar un contexto global para las mediciones de la sonda.

Este módulo no entraría en órbita alrededor de Saturno, sino que realizaría un sobrevuelo único del planeta para retransmitir múltiples veces los datos científicos de la sonda hacia la Tierra a través de la Red del Espacio Profundo.^[10]

La sonda atmosférica propuesta para la misión SPRITE transportaría un conjunto de instrumentos científicos destinados a medir la estructura, dinámica, composición, química y nubes de la atmósfera de Saturn.^[9][10]

La carga útil conceptual consta de dos espectrómetros: un espectrómetro de masas cuadrupolar, que mediría gases nobles y sus isótopos con gran sensibilidad, siendo especialmente relevantes las mediciones de helio (He), fundamentales para comprender la evolución térmica de Saturno. Además de un espectrómetro láser sintonizable, que determinaría abundancias moleculares y relaciones isotópicas para caracterizar la estructura química de la atmósfera, así como especies en desequilibrio como el monóxido de carbono (CO), la fosfina (PH₃) y el etano (C₂H₆), utilizadas para inferir la abundancia de agua en las capas profundas de Saturno.

El Instrumento de Estructura Atmosférica (ASI) proporcionaría perfiles de presión y temperatura de la atmósfera de Saturno, permitiendo determinar la estabilidad estática con la altitud. En combinación con las mediciones de nubes obtenidas mediante un nefelómetro, permitiría esclarecer los procesos que determinan la localización y estructura de las múltiples capas nubosas. El ASI también incluye acelerómetros para medir las aceleraciones durante la entrada, lo que permitiría reconstruir la trayectoria de entrada y descenso de la sonda, así como caracterizar la estructura térmica de la atmósfera superior.

El Experimento Doppler de Viento permitiría medir la dinámica tridimensional de la atmósfera de Saturno mediante un oscilador ultraestable, incluyendo el perfil de vientos locales en función de la profundidad y los movimientos verticales asociados a ondas atmosféricas.