A través de su programa «De la Luna a Marte», la NASA tiene previsto enviar las primeras misiones tripuladas a Marte para finales de la próxima década. Para cumplir con esta ambiciosa visión, la agencia está investigando tecnologías avanzadas mediante numerosos programas. Esto incluye tecnologías de propulsión avanzadas que reducirán los tiempos de tránsito hacia Marte, limitando así la exposición de los astronautas a la microgravedad y la radiación cósmica. Otras tecnologías en consideración abarcan métodos para la eliminación de residuos, la recuperación de agua, la salud y seguridad de la tripulación, y la autosuficiencia de recursos.
La NASA también está trabajando en la evolución de tecnologías clave que permitirán misiones de exploración de bajo coste a Marte y a lo largo del sistema solar. Una de las tecnologías consideradas más importantes es la propulsión eléctrica subkilovatio para pequeñas naves espaciales—de 500 kg o menos. En un artículo presentado a la 56ª Conferencia Lunar y Planetaria (2025 LPSC), un equipo de investigadores de la NASA propone una nueva iniciativa: el Sistema Comercial de Propulsión Hall para Servicios de Carga Útil a Marte (CHAMPS).
Un vacío tecnológico
El estudio fue realizado por Gabriel F. Benavides, ingeniero de propulsión eléctrica en el Centro de Investigación Glenn de la NASA (GRC), Steven R. Oleson, líder del equipo de Diseño de Reactor de Fisión Compacto en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, y Alain S.J. Khayat, científico investigador en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. Este equipo de ingeniería colaborativa realiza análisis integrados de sistemas de vehículos.
Según indican, su trabajo se basa en estudios previos como los Estudios de Pequeños Satélites de Ciencia Planetaria en el Espacio Profundo (PSDS3) y el programa de Misiones Pequeñas e Innovadoras para la Exploración Planetaria (SIMPLEx). Estos estudios establecieron la importancia de los propulsores electrostáticos de Efecto Hall (HET) de bajo consumo y alto rendimiento, con blindaje magnético optimizado. Estos sistemas de propulsión dependen de la energía solar (o de otra fuente de energía) para ionizar un propulsor de gas inerte (como el xenón), que es canalizado por campos magnéticos para generar empuje.
En el marco del Programa Artemis, estos sistemas impulsarán los dos primeros elementos de Gateway Lunar—el Elemento de Potencia y Propulsión (PPE) y el Puesto de Habitación y Logística (HALO)—hacia su órbita propuesta alrededor de la luna. Esta misión, actualmente programada para 2027, verá ambos elementos lanzados por un Falcon Heavy desde la Tierra hacia una órbita lunar. Una vez allí, los módulos PPE y HALO dependerán de sus sistemas de propulsión eléctrica solar de alta potencia (SEP) para establecer una órbita halo casi rectilínea (NRHO).
Desafortunadamente, este ámbito ha presentado un vacío tecnológico, por lo que la NASA lanzó el proyecto de Propulsión Eléctrica para Pequeñas Naves Espaciales (SSEP) en 2017. Este programa tiene como objetivo desarrollar versiones miniaturizadas de los sistemas de propulsión eléctrica solar de alta potencia más avanzados de la NASA. El H71M es el ejemplo actual de un SEP miniaturizado de alto rendimiento, con un rendimiento de propulsor proyectado de más de 140 kg, lo que genera suficiente energía para propulsar una nave espacial de 450 kg.
La NASA comenzó a colaborar y licenciar el H71M con socios comerciales para garantizar la disponibilidad del sistema en futuras misiones de pequeñas naves espaciales. Esto llevó a Oleson y al equipo Compass a desarrollar su concepto CHAMPS para misiones potenciales a Marte. Este estudio visualiza naves espaciales utilizando una versión comercial del H71M—el sistema NGHT-1X desarrollado por Northrop Grumman. Estas misiones dependerían de oportunidades de lanzamiento más frecuentes y de menor coste, en lugar de una transferencia directa a Marte.
Uno de los principales desafíos para llevar a cabo misiones científicas de bajo coste con pequeñas naves espaciales es identificar y mantener una oportunidad de lanzamiento específica hacia Marte. Lanzar como carga principal puede resultar costoso, mientras que lanzarse como carga secundaria puede acarrear complicaciones, ya que las necesidades de la carga principal determinan la fecha y la trayectoria de lanzamiento. Además, pivotar a una fecha alternativa de lanzamiento no siempre es una opción. La arquitectura de CHAMPS aborda esto optando por un lanzamiento como carga secundaria con una misión CLPS.
Estas misiones se espera que entreguen regularmente cargas útiles a la luna en los próximos años. La trayectoria de lanzamiento es bien conocida, y probablemente habrá muchas oportunidades de lanzamiento alternativas. La misión realizará verificaciones de instrumentos observando la luna mientras lleva a cabo una maniobra de asistencia gravitacional para ganar velocidad. Esta maniobra permitirá que la misión se inserte temporalmente en un NHRO alrededor de la luna hasta que ocurra una alineación favorable Tierra-Marte.
La primera maniobra de empuje bajo durará aproximadamente tres meses, seguida de una fase de crucero de cuatro meses y otra maniobra de empuje bajo de siete meses. Una vez que alcance Marte, la nave espacial establecerá una órbita a 15 km sobre la superficie, donde tendrá cobertura ecuatorial completa cada cinco soles (5.137 días terrestres). Mientras tanto, cumplirá con objetivos científicos secundarios estudiando a Deimos, la más pequeña de las dos lunas de Marte. Tras dos años, la nave espacial ascenderá a una órbita aerosincrónica, a 17 km sobre la superficie.
Esto permitirá una cobertura continua de la atmósfera sobre características superficiales críticas, actuando como un relé de datos para misiones de superficie.
La misión CHAMPS llevará a cabo múltiples estudios científicos utilizando diversos instrumentos. Según su artículo, esto incluirá un imager visible/UV, como el Mars Color Imager (MARCI) utilizado por el Mars Climate Orbiter (MCO) y el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). También contará con un radiómetro térmico infrarrojo (TIR) comparable al mini-Mars Climate Sounder (MCS) utilizado por el Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), y un espectrómetro de infrarrojo cercano (NIR) como el instrumento Argus utilizado para realizar estudios atmosféricos aquí en la Tierra.
Usando estos instrumentos, la misión CHAMPS medirá la estructura 3D de la atmósfera para determinar su presión, temperatura, distribución de aerosoles, vapor de agua y contenido de ozono. También monitoreará el comportamiento y evolución de las tormentas de polvo marciano y las nubes de hielo de agua para aprender más sobre los patrones climáticos del planeta y las tormentas de polvo estacionales. Por último, medirá las condiciones de plasma y la estructura del campo magnético alrededor de Marte y cómo interactúa con la radiación ultravioleta extrema (EUV) del sol.
Estos estudios permitirán a los científicos investigar preguntas clave sobre el clima marciano, incluyendo la interacción y el transporte de volátiles entre la superficie y la atmósfera, cómo responde la atmósfera baja/media al calentamiento solar de manera regional y global, cómo se produce el acoplamiento entre los diferentes niveles de la atmósfera, y cómo el clima espacial influye en la atmósfera.
El equipo también señala que su propuesta es consistente con la Iniciativa 1 del Plan del Programa de Exploración de Marte (MEP) de la NASA, que establece: «Establecer una cadencia regular de oportunidades de misiones científicas de bajo coste impulsadas por la ciencia como un nuevo elemento del portafolio del MEP para proporcionar respuestas rápidas y flexibles a los descubrimientos, abordar la amplitud de las preguntas pendientes sobre Marte y permitir una mayor participación de la diversa comunidad científica marciana.»
