Progresos en la exploración de cuevas planetarias

Las cuevas terrestres ofrecen conocimientos científicos y de ingeniería. Sirven como campo de prueba para futuras incursiones de humanos y robots en cuevas extraterrestres.

Los procesos que dan origen a las cuevas terrestres, también existen en otros mundos

Las cuevas en la Tierra se forman mediante una variedad de procesos . El vulcanismo puede dejar tubos de lava o cámaras infladas con gas, la disolución de fluidos ahueca cavernas en rocas subterráneas. El viento y el clima pueden erosionar mecánicamente acantilados o cuevas junto al mar, por ejemplo. Muchos de estos mismos procesos operan en otros cuerpos planetarios de nuestro Sistema Solar. Debido a ello, es probable que al menos algunos de estos cuerpos alberguen sus propias cuevas.

Hasta la fecha, se han identificado más de mil posibles entradas a cuevas en Marte, y cientos se han resuelto en la Luna. Para ello se utilizaron cámaras de alta resolución espacial. Tales son, el Experimento de Imágenes de Alta Resolución ( HiRISE ) del Mars Reconnaissance Orbiter y la Cámara del Orbitador de Reconocimiento Lunar ( LROC). ). Mientras tanto, otros puntos de acceso subterráneo identificados se describen a continuación. Dos respiraderos criovolcánicos en Plutón. Fisuras de hielo en las lunas Encelado, Europa, Titán y Tritón y varios agujeros conspicuos en el fondo de los cráteres de impacto en Mercurio.

De hecho, la mayoría de los cuerpos planetarios rocosos o helados del Sistema Solar probablemente tengan cuevas. Estas características presentan una nueva frontera para la ciencia planetaria, la astrobiología del subsuelo, la geología y la exploración humana. Solo necesitamos la capacidad de identificarlos y observarlos.

Tercera Conferencia Internacional de Cuevas Planetarias 

En Febrero pasado, 55 científicos terrestres y planetarios e ingenieros en robótica e instrumentación, así como 16 estudiantes, se reunieron en San Antonio, Texas. El motivo, la Tercera Conferencia Internacional de Cuevas Planetarias , la cuarta de una serie de reuniones centradas en la ciencia y exploración de cuevas planetarias. (La primera reunión de este tipo, celebrada en 2008, se denominó “Tubos de lava: Tierra, Luna, Marte”). Los participantes de la conferencia discutieron el estado del arte en las capacidades científicas e ingenieriles relevantes relacionadas con la exploración e investigación de cuevas planetarias.

Aquí resumimos estas discusiones, que cubrieron los mecanismos de formación de cuevas, registros geológicos preservados, microclimas de cuevas y potencial astrobiológico. También abordaron los desafíos de ingeniería de la exploración del subsuelo y posibles conceptos de misión robótica para explorar el subsuelo de otros mundos. En particular los de la Luna y Marte.

Espeleología desde la distancia

Los participantes de la reunión centraron gran parte de su atención en la distribución y las características de las cuevas en la Luna y Marte. Ellos son los cuerpos más explorados del Sistema Solar (además de la Tierra, por supuesto). También examinaron los planes en curso para explorar las cuevas en estos cuerpos a través de datos devueltos de misiones actuales, futuras y potenciales futuras.

¿Qué podemos aprender de las cuevas lunares y marcianas?

Las entradas a las cuevas en la Luna, por ejemplo, son lugares ideales para acceder a secuencias raras y prístinas de lecho rocoso. Ellas exponen la historia geológica de episodios de vulcanismo lunar y producción de regolito (materia rocosa no consolidada que se encuentra sobre el lecho rocoso). Las cuevas lunares también son de interés porque pueden ofrecer refugios para futuras exploraciones y viviendas humanas. La entrada de una cueva, ubicada en una llanura de lava entre los sitios de aterrizaje del Apolo 11 y 17, es un objetivo de exploración. Dicha entrada presenta una exposición profunda de estratos rocosos y una cueva confirmada que se extiende al menos 20 metros desde la entrada (Figura 1).

En Marte, las cuevas probablemente sirvan como repositorios de registros del clima marciano pasado y la historia del agua y otros materiales volátiles en el planeta. Esto es así, según nuestra experiencia con las cuevas en la Tierra. Estos registros climáticos podrían incluir la presencia de escarcha, estalactitas, estalagmitas o minerales de alteración. Las cuevas brindan un amortiguador protector contra la radiación y los extremos climáticos de la superficie. Entonces, también son sitios excelentes para buscar signos de vida, tanto existentes como extintos. Este es el foco principal de los esfuerzos de exploración actuales y planificados en el planeta.

Desafíos asociados con la detección de vida en el subsuelo.

Sin embargo, existen muchos desafíos asociados con la detección de vida en el subsuelo. Por ejemplo, como sucede en la Tierra, establecer si un artefacto o proceso específico es evidencia de organismos vivos puede ser difícil sin la información necesaria. Así, se debe conocer el contexto adicional proporcionado por los estudios de habitabilidad. Al igual que las cuevas terrestres, los depósitos de las cuevas marcianas pueden contener un continuo de componentes orgánicos abióticos y bióticos. Esto dificulta establecer si estos componentes fueron generados por organismos vivos.

Una variedad de métodos, pueden facilitar la búsqueda de vida en otros lugares. Ellos incluyen algoritmos de reconocimiento de patrones; espectroscopia infrarroja; y la espectroscopía y microscopía ultravioleta (UV), Raman y de fluorescencia. Las cámaras, en particular las cámaras de imágenes a microescala, pueden obtener imágenes de biopelículas y biovermiculaciones. Para ello se combinan con algoritmos de reconocimiento de patrones durante el procesamiento de datos.

No todas las técnicas de análisis químico requieren la recolección de muestras físicas: un haz de luz y sensores para recolectar los fotones reflejados son suficientes. La espectroscopia infrarroja, UV, Raman y de fluorescencia puede identificar sustancias orgánicas que pueden ser indicativas de vida o de procesos relacionados con la vida. Estas técnicas también pueden identificar minerales (óxidos de hierro, carbonatos, etc.). Estos pueden indicar la vida o procesos relacionados con la vida cuando se encuentran cerca de químicos orgánicos. Se podrían aplicar técnicas adicionales como la espectrometría de masas si la arquitectura de la misión incorporara un sistema de ingestión de muestras. Pero esto agrega costos y complejidad a la misión.

Exploración robótica

Explorar cuevas es una tarea difícil en la Tierra, y mucho más en otro mundo. Esto fue demostrado por un viaje de campo durante la reunión a Robber Baron Cave, una cueva natural no modificada en San Antonio. Tiene túneles de ramificación e intersección, expansivos lateral y verticalmente. La dificultad que tuvieron los asistentes para navegar a través de la red de cuevas laberínticas enfatizó ciertas necesidades. Así, el mapeo in situ en tiempo real combinado con la navegación autónoma sería necesario para cualquier misión robótica a un sitio extraterrestre similar.

Los obstáculos en la exploración robótica y cómo superarlos

De hecho, existen muchos obstáculos para la exploración robótica en cuevas planetarias. Los desafíos identificados hasta ahora incluyen lo siguiente. El desarrollo de tecnología para acceder a las entradas de las cuevas y moverse satisfactoriamente sobre terrenos extremos. Desafíos para comunicarse con la Tierra, y para la generación, transmisión y almacenamiento de energía. Se debe diseñar la instrumentación personalizada para plataformas robóticas particulares y entornos planetarios. Incluye la tecnología que permita la percepción de obstáculos y la localización 3D en la oscuridad. También existen dificultades relacionadas con los retrasos en la comunicación durante el tiempo de luz. Es el tiempo transcurrido entre el momento en que se envía un mensaje desde la Tierra y el momento en que lo recibe una nave robótica. Esto aumenta la probable necesidad de navegación autónoma.

Los avances significativos que se están realizando para las aplicaciones terrestres, están abordando algunos de estos desafíos. Por ejemplo, las herramientas para operaciones robóticas de búsqueda y rescate de cuevas y el mapeo autónomo de minas y túneles. Sin embargo, está claro que se necesitarán varios enfoques y tecnologías nuevos para explorar de forma robótica las cuevas planetarias. Varios enfoques fueron mencionados durante la reunión. Algunos de ellos son los siguientes. Uno es bajar paquetes de instrumentos a cuevas a través de ataduras (como hacer rápel en una cueva ). Otros, usar rastreadores que pueden escalar pendientes casi verticales e incluso el uso de drones voladores de navegación autónoma.

Cuevas terrestres como analogías

Cuando surjan oportunidades futuras para explorar cuevas fuera de la Tierra, tendremos que estar preparados. Esto es así, considerando las grandes inversiones de fondos, tiempo y otros recursos necesarios para misiones tan ambiciosas. Esta preparación incluye probar minuciosamente el equipo y la instrumentación, así como las personas y los procesos, en condiciones lo más realistas posible.

Los científicos han utilizado durante mucho tiempo los entornos de la Tierra como análogos de los entornos extraterrestres (Tabla 1). Hoy en día existen programas que se basan en cuevas terrestres con efectos similares. El proyecto (BRAILLE) de la NASA, por ejemplo, utiliza cuevas terrestres ubicadas en el Monumento Nacional Lava Beds en el norte de California. BRAILLE es la abreviatura de «Biologic and Resource Analog Investigations in Low Light Environments». El proyecto utilizó una versión modificada del rover de prueba Ames CaveR de la NASA, comandado de forma remota para simular una misión planetaria. El objetivo era mapear y estudiar un tramo de 20 metros dentro de Valentine Cave. 

CaveR utilizó imágenes y espectroscopía para lograr tanto la cartografía como la ciencia. Entre otros resultados, el proyecto BRAILLE puso en evidencia algo importante. Ha demostrado el alto nivel de coordinación necesario entre las tecnologías robóticas, los operadores remotos y la instrumentación adecuada, que se necesita para identificar con precisión las biofirmas.

Tabla 1. Clasificación de cuevas por proceso ^a

Tipo de cueva	Proceso dominante	Ejemplos en la Tierra	Otras ubicaciones potenciales.
Solucionador	solvente disuelve la roca	cuevas cársticas (p. ej., halita, yeso, carbonato)	Marte, Titán, Ceres.
Erosional	abrasión mecánica por viento, agua, molienda, etc.	cuevas marinas, refugios rocosos eólicos	Marte, Venus, Titán.
Tectónico	fracturamiento por movimientos de la Tierra internos o externos	cuevas tectónicas	Luna, Marte, Titán, Europa, Encelado, Ganímedes, Vesta.
Suffosional	construcción por pérdida de partículas transportadas por fluidos	cuevas de barro, termokarst	Marte.
Transición de fase	fusión, vaporización o sublimación	tubos de lava, cuevas glaciales, cuevas de hielo (es decir, hielo en el lecho rocoso)	Luna, Marte, Venus, Io, Vesta, cometas.
De la construcción	espacio negativo dejado por procesos biológicos o de acreción, a menudo alrededor de una plantilla erosionable	torres de algas coralinas, cuevas de montículo de manantial de travertino	Marte.

^a Modificado de Boston [2004].

Entrenando astronautas en cuevas terrestres

Las cuevas terrestres brindan oportunidades para entrenar a equipos de astronautas y científicos que algún día podrían controlar a los robots que exploran las cuevas planetarias. Las cuevas restringen la movilidad y la comunicación humana. Debido a ello, estas características se pueden utilizar para aproximar las condiciones de vida y de trabajo en una estación espacial. Las cuevas terrestres también proporcionan entornos de ciencia-rica en los que la recopilación de datos realista puede llevarse a cabo en un ambiente confinado y desafiante. En estos entornos desconocidos, el trabajo en equipo y la coordinación se vuelven aún más necesarios para realizar las tareas.

Exploración humana y utilización de recursos

Además de la exploración robótica futura, otro tema discutido en la reunión fue el potencial para la exploración humana y la habitación en otros cuerpos planetarios. En última instancia, las cuevas pueden usarse como puestos de avanzada de astronautas. Ello requerirá tecnología y construcción especializadas para que sean viables para el uso humano. Los participantes hicieron un viaje de campo a Natural Bridge Caverns, una cueva de exhibición comercial con extensos caminos pavimentados y escaleras. Les proporcionó un buen ejemplo de modificaciones interiores relevantes para el futuro uso humano de cuevas extraterrestres. Las modificaciones adicionales, como los hábitats humanos inflables e inflables híbridos, podrían proporcionar presurización atmosférica dentro del entorno de una cueva. Los trajes espaciales actuales son voluminosos y no están diseñados para realizar operaciones científicas dentro de un área confinada, como una cueva. Pero los hábitats inflables podrían permitir que los astronautas se muevan más libremente.

Transportar grandes cantidades de suministros a través del espacio es extremadamente costoso. Debido a ello, dichos esfuerzos de exploración pueden depender del uso de recursos nativos que sustentan la vida disponibles en otros mundos. Dichos recursos incluyen depósitos de hielo de agua subterránea potencialmente presentes en las cuevas lunares y marcianas (Figura 2). Los astronautas podrían usar el agua de estos depósitos para beber. También podrían usar la electrólisis para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno podría usarse como combustible y el oxígeno podría usarse para que los humanos respiren.

El regolito también podría usarse como material de construcción in situ. El regolito podría refinarse para la extracción de minerales, para recuperar minerales que contienen torio, titanio y hierro, por ejemplo. O podría utilizarse como materia prima para la impresión 3D de materiales de  construcción.

Pasos para la próxima década

Múltiples conceptos de misiones de cuevas planetarias se encuentran en diversas etapas de desarrollo. Estos se pueden considerar para una mayor implementación a través de procesos de selección competitivos dentro de la próxima década. Por ejemplo, Moon Diver, finalista del Programa Discovery de la NASA, haría «rápel» en un pozo lunar. El Robot de Utilidad Mecánica de Excursión con Extremidades (LEMUR) es un prototipo terrestre de un robot de escalada. Podría usarse para la exploración de cuevas planetarias en el futuro. Otro es El Explorador de Cuevas Astrobiológicas y Habitabilidad Interna de Marte (MACIE). Es un ejemplo de un concepto de misión que exploraría una cueva de Marte y buscaría evidencia de vida.

Los participantes de la conferencia acordaron que un enfoque práctico para la exploración de cuevas planetarias implica varias cosas. Así, el desarrollo de tecnologías en la Tierra, la demostración de vuelos espaciales (cuando sea posible) en el entorno cercano de la Luna. Ellos son necesarios para que se minimicen los retrasos en el tiempo de transporte y las comunicaciones. Luego la aplicación a misiones que requieren niveles más altos de autonomía robótica en Marte y más allá.

Muchas de estas ideas se presentarán en un documento técnico de un estudio decenal sobre cuevas planetarias. Este documento técnico fue desarrollado mayormente por los asistentes a la conferencia y se envió a principios de este año a la Academia Nacional de Ciencias.

Referencias

Boston, PJ (2004), Cuevas extraterrestres, en Encyclopedia of Caves and Karst Science , editado por J. Gunn, págs. 355–358, Fitzroy Dearborn, Londres.

Cushing, GE (2017), Paquete de archivo del catálogo de candidatos de Mars Global Cave, US Geol. Surv., Reston, Va.,  Astrogeology.usgs.gov/search/map/Mars/MarsCaveCatalog/mars_cave_catalog.zip .

Williams, KE y col. (2010), ¿Existen cuevas de hielo en Marte ? , Icarus, 209 (2), 358–368, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2010.03.039.

Fuente: American Geophysical Union Magazine Eos.

Artículo original: «Planetary Cave Exploration Progresses«.  Timothy Titus, Charity M. Phillips-Lander, Penelope J. Boston, J. Judson Wynne, and Laura Kerber. December 1, 2020.

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