ExoMars TGO

En órbita de Marte desde 2016, analizando los gases traza de la atmósfera y cartografiando el hidrógeno del subsuelo para reconstruir la evolución química y climática del planeta

La misión ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) es un orbitador desarrollado conjuntamente por la Agencia Espacial Europea (ESA) y Roscosmos con el objetivo de estudiar la composición de la atmósfera de Marte y su relación con los procesos geológicos y climáticos del planeta. Lanzado en marzo de 2016 y operativo desde 2018, el TGO fue diseñado para detectar gases traza como el metano, cuya presencia podría estar vinculada a actividad volcánica o biológica, y para caracterizar la distribución de vapor de agua y de hidrógeno en el subsuelo. Además de su labor científica, actúa como enlace de comunicaciones para las misiones en superficie, asegurando la transmisión de datos entre los rovers y la Tierra dentro del programa europeo ExoMars.

Objetivos de la misión ExoMars TGO en Marte

El orbitador ExoMars Trace Gas Orbiter fue concebido para analizar la composición y dinámica de la atmósfera marciana con un nivel de precisión sin precedentes. Su objetivo principal es identificar y cuantificar los gases traza —aquellos presentes en concentraciones inferiores al 1 %—, entre ellos el metano (CH₄), el vapor de agua (H₂O) y otros compuestos que pueden ofrecer pistas sobre procesos activos en el planeta. La detección y distribución espacial del metano resulta especialmente relevante, ya que su presencia implicaría una fuente reciente, de origen geológico o biológico.

Además, TGO estudia los mecanismos que controlan la variabilidad estacional de la atmósfera, las interacciones entre el polvo, el hielo y el vapor de agua, y el transporte vertical de aerosoles y gases. Mediante la detección de neutrones desde la órbita, investiga también la cantidad y distribución de hidrógeno en el subsuelo marciano, lo que permite inferir la presencia de hielo o minerales hidratados a poca profundidad.

Características de la misión ExoMars TGO

El orbitador ExoMars Trace Gas Orbiter fue construido por Thales Alenia Space en el marco de la cooperación entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la corporación estatal rusa Roscosmos. Tiene una masa al lanzamiento de 4.332 kg, de los cuales unos 113 kg corresponden a la carga científica. El cuerpo principal de la nave mide 3,2 × 2,0 × 2,0 metros, y despliega dos paneles solares con una envergadura total de 17,5 metros y una superficie de 20 m², capaces de generar unos 2.000 W de potencia eléctrica.

Para las maniobras principales dispone de un motor hipergólico de 424 N de empuje, utilizado durante la inserción orbital en Marte. Los sistemas de control de actitud combinan propulsores de pequeño empuje con ruedas de reacción. La antena de alta ganancia, de 2,2 metros de diámetro, permite las comunicaciones en banda X con la red de espacio profundo de la ESA. El módulo de comunicaciones Electra, suministrado por la NASA, garantiza el enlace en banda UHF con los vehículos de superficie.

Instrumentación científica de la ExoMars TGO

El conjunto científico está formado por cuatro instrumentos principales, dedicados al estudio de la atmósfera, la superficie y el subsuelo marcianos:

NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery)
Instrumento desarrollado por el Instituto Belga de Aeronomía Espacial (IASB–BIRA). Incluye tres espectrómetros que operan entre 0,2 y 4,3 micrómetros, desde el ultravioleta al infrarrojo. Analiza la composición atmosférica y la variabilidad de gases traza como el metano, el monóxido de carbono o el ozono. Su sensibilidad alcanza concentraciones del orden de 100 partes por billón (ppt), mil veces superior a la de la sonda Mars Express.

ACS (Atmospheric Chemistry Suite)
Conjunto de tres espectrómetros infrarrojos de fabricación rusa (NIR, MIR y TIRVIM), desarrollados por el Instituto de Investigación Espacial de la Academia de Ciencias de Rusia (IKI). Cubre el rango espectral de 0,73 a 25 micrómetros y complementa a NOMAD en la identificación de compuestos atmosféricos, en particular dióxido de carbono, vapor de agua y trazas de hidrocarburos.

CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System)
Cámara estéreo y multiespectral dirigida por la Universidad de Berna (Suiza). Pesa 17,7 kg y obtiene imágenes en color con una resolución de 4,6 metros por píxel, en un campo de visión de 1,34° × 0,88°. Opera en cuatro bandas del visible e infrarrojo cercano y produce pares estereoscópicos que permiten generar modelos digitales del terreno.

FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector)
Detector ruso de neutrones epitermais, también desarrollado por el IKI. Mide la radiación de neutrones procedente del subsuelo marciano con una resolución de 40 kilómetros, frente a los 300 kilómetros del instrumento HEND de la sonda Mars Odyssey. Permite estimar la concentración de hidrógeno y, por tanto, localizar depósitos de hielo o minerales hidratados cercanos a la superficie.

Además del orbitador, la misión incluyó el módulo de descenso Schiaparelli EDM (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module), una cápsula de 577 kg concebida para ensayar las tecnologías críticas de entrada, frenado aerodinámico y descenso en la atmósfera marciana. Fabricada también por Thales Alenia Space Italia, Schiaparelli incorporaba un escudo térmico ablativo, un paracaídas de 12 metros de diámetro y un sistema de propulsión con nueve motores de hidracina de 400 N cada uno.

El módulo portaba una pequeña carga instrumental denominada DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface), orientada a medir las condiciones meteorológicas y la actividad eléctrica del polvo durante el descenso y en la superficie. Incluía sensores de presión, temperatura, humedad y radiación, así como un microanalizador de campos eléctricos denominado MicroARES.

Antecedentes de la misión ExoMars TGO en Marte

El programa ExoMars fue concebido por la Agencia Espacial Europea (ESA) a comienzos de la década de 2000 con el propósito de estudiar la atmósfera y la superficie de Marte mediante una serie de misiones complementarias. Su objetivo era avanzar en la comprensión de los procesos geológicos activos del planeta y evaluar la posible existencia de condiciones favorables para la vida pasada o presente. En un principio, el proyecto se planteó como una colaboración con la NASA, que aportaría parte de la infraestructura de lanzamiento y de la instrumentación científica. Sin embargo, en 2012 la agencia estadounidense se retiró del programa por motivos presupuestarios, lo que obligó a la ESA a buscar un nuevo socio internacional para mantener la viabilidad del proyecto.

La cooperación se consolidó con la corporación estatal rusa Roscosmos, que asumió la provisión del lanzador Proton-M/Briz-M, la participación en los sistemas de propulsión y comunicaciones, y el desarrollo de dos instrumentos científicos: el ACS (Atmospheric Chemistry Suite) y el FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector). Esta alianza permitió mantener el calendario y garantizar la capacidad tecnológica necesaria para acometer la misión.

El programa se estructuró en dos etapas principales. La primera, ExoMars 2016, incluía el orbitador Trace Gas Orbiter (TGO) y el módulo de descenso Schiaparelli EDM (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module), cuyo objetivo era probar las tecnologías críticas de entrada y aterrizaje en la atmósfera marciana. La segunda, inicialmente prevista para 2018, incorporaba un vehículo de exploración denominado ExoMars Rosalind Franklin, junto con una plataforma de superficie desarrollada en Rusia.

El diseño y la integración del orbitador fueron responsabilidad de Thales Alenia Space, bajo supervisión de la ESA, con la participación de distintos centros europeos y rusos en los subsistemas y en la carga útil científica. TGO fue concebido como un laboratorio orbital destinado a analizar con alta precisión la composición de la atmósfera marciana y a servir como enlace de comunicaciones para las futuras misiones en superficie.

La fase de planificación del proyecto fue especialmente compleja por la necesidad de armonizar los estándares técnicos y operativos de la ESA y Roscosmos. La experiencia previa de Europa en el diseño de orbitadores, como Mars Express y Venus Express, resultó decisiva para el desarrollo de la misión, mientras que Rusia aportó su larga trayectoria en sistemas de propulsión hipergólicos y detección de neutrones. El resultado fue una sonda robusta y versátil, capaz de abordar tanto la investigación atmosférica de precisión como la función logística de apoyo a otras misiones marcianas.

Desarrollo de la misión ExoMars TGO en Marte

Lanzamiento de la misión ExoMars

La misión ExoMars 2016 partió de la Tierra el 14 de marzo de 2016 a bordo de un cohete Proton-M con etapa superior Briz-M, transportando el orbitador Trace Gas Orbiter (TGO) y el módulo de descenso Schiaparelli EDM. Una vez completadas las maniobras iniciales de la etapa superior, la sonda fue situada en una trayectoria de escape que la condujo hacia Marte. Durante las primeras horas se verificaron los sistemas de alimentación, las comunicaciones en banda X y la correcta orientación de los paneles solares, que se desplegaron pocos minutos después de la separación.

Durante el viaje interplanetario, de algo más de siete meses de duración, el control de misión del Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) en Darmstadt llevó a cabo diversas maniobras de corrección de trayectoria, ajustes de orientación y calibraciones básicas de los sistemas de navegación. La red ESTRACK de la ESA, con antenas en Cebreros (España) y Malargüe (Argentina), mantuvo las comunicaciones con la nave durante toda la fase de crucero, garantizando la estabilidad de la señal y la integridad de los sistemas a bordo.

El conjunto viajó acoplado en una configuración estable, con Schiaparelli protegido por el escudo térmico y sujeto a la estructura principal del orbitador. Durante este tiempo se monitorizaron las condiciones térmicas y el consumo energético de los subsistemas, al mismo tiempo que se comprobaba el funcionamiento del motor principal de 424 newton de empuje y de los propulsores de control de actitud. También se realizaron pruebas del módulo de comunicaciones Electra, encargado de retransmitir datos entre el orbitador y las misiones de superficie.

La travesía hacia Marte transcurrió sin incidencias significativas. Los datos de telemetría mostraron un comportamiento nominal en todos los sistemas y una excelente estabilidad de vuelo. La última corrección de trayectoria se efectuó a mediados de octubre de 2016, pocos días antes de la llegada al planeta, con el fin de ajustar con precisión el punto de inserción orbital. El 16 de octubre, a una distancia de unos 900.000 kilómetros de Marte, el orbitador liberó al módulo de descenso Schiaparelli, que siguió una trayectoria independiente hacia la superficie. El Trace Gas Orbiter, por su parte, continuó su aproximación al planeta en preparación para la maniobra de inserción en órbita marciana.

Inserción orbital y pérdida de Schiaparelli

El 19 de octubre de 2016, la misión ExoMars 2016 alcanzó Marte tras un viaje de más de siete meses. Ese día coincidieron dos operaciones críticas: la inserción orbital del Trace Gas Orbiter (TGO) y el descenso atmosférico del módulo Schiaparelli EDM. La maniobra de inserción se inició a las 13:05 UTC, cuando el orbitador encendió su motor principal de 424 newton durante 134 minutos para reducir su velocidad en aproximadamente 1,5 kilómetros por segundo. Al término de la operación, TGO quedó capturado por la gravedad del planeta en una órbita elíptica inicial de 346 por 95.228 kilómetros y una inclinación de 9,7 grados respecto al ecuador marciano.

El encendido se desarrolló según lo previsto, y la señal del orbitador fue recuperada por la estación de seguimiento de Malargüe, confirmando el éxito de la maniobra. A partir de ese momento, la nave quedó en una órbita con un periodo de cuatro días, desde la cual se iniciarían posteriormente las maniobras de ajuste y aerofrenado para alcanzar la órbita científica definitiva.

Mientras tanto, el módulo Schiaparelli, separado tres días antes, entró en la atmósfera marciana a 21.000 kilómetros por hora y siguió correctamente las primeras fases del descenso. Los datos de telemetría indicaron el despliegue del paracaídas a 11 kilómetros de altitud y la separación del escudo térmico, así como la activación del radar Doppler. Sin embargo, la sonda se separó del paracaídas antes de lo previsto y los nueve propulsores de hidracina se apagaron apenas cuatro segundos después de su encendido, en lugar de los treinta segundos planificados.

La pérdida de contacto se produjo a unos 50 segundos del aterrizaje programado. Posteriores imágenes orbitales obtenidas por la sonda Mars Reconnaissance Orbiter mostraron un punto oscuro en Meridiani Planum, que correspondía al impacto del módulo contra la superficie a gran velocidad. El fallo se debió a un error en el sistema de navegación inercial que interpretó de forma incorrecta la altitud de la nave, activando prematuramente la secuencia final de descenso.

Ajuste orbital, calibración científica y fase de aerofrenado

Tras la inserción orbital, el Trace Gas Orbiter inició una larga fase de maniobras destinadas a ajustar su órbita y preparar el comienzo de las operaciones científicas. Entre enero y marzo de 2017 se ejecutaron tres encendidos principales que modificaron la inclinación orbital de 7 a 74 grados, con el fin de permitir la cobertura global del planeta. Un cuarto encendido, realizado el 5 de febrero, redujo el periastro de 250 a 210 kilómetros. Durante este periodo, los equipos del Centro Europeo de Operaciones Espaciales supervisaron la respuesta dinámica del vehículo y comenzaron las primeras pruebas de calibración de los instrumentos científicos.

Los espectrómetros NOMAD y ACS realizaron sus primeras observaciones experimentales de la atmósfera, mientras que la cámara CaSSIS obtuvo las primeras imágenes de la superficie, incluyendo vistas de Noctis Labyrinthus, Hebes Chasma y el borde del cráter Korolev. También se efectuaron mediciones preliminares con el detector de neutrones FREND, lo que permitió verificar la estabilidad térmica de la plataforma y el rendimiento de la telemetría.

Una vez ajustada la inclinación, el orbitador se preparó para la compleja etapa de aerofrenado, iniciada oficialmente el 15 de marzo de 2017. En lugar de gastar combustible, la nave utilizó la tenue atmósfera marciana para reducir progresivamente su velocidad y disminuir la altura del apoastro. Durante cerca de once meses, TGO ejecutó 952 órbitas de aerofrenado, cada una de las cuales reducía la velocidad orbital en apenas unos milímetros por segundo. El control de misión interrumpió las operaciones durante la conjunción solar de junio y julio para evitar interferencias en las comunicaciones, reanudándolas en agosto con parámetros actualizados.

A finales de enero de 2018, la Delta-V acumulada por el proceso ascendía a unos 781,5 metros por segundo, una energía equivalente a la que habría requerido un extenso uso del sistema de propulsión, pero obtenida gratuitamente mediante fricción atmosférica. El aerofrenado concluyó el 20 de febrero de 2018, cuando la órbita se había reducido a 110 por 2.700 kilómetros. Un encendido final elevó el periastro a unos 200 kilómetros y dejó el orbitador en una órbita casi circular de unos 400 kilómetros de altura y 74 grados de inclinación, lista para comenzar la fase científica nominal.

Fase científica y operativa del Trace Gas Orbiter

Una vez alcanzada su órbita de trabajo en abril de 2018, el Trace Gas Orbiter inició de forma regular sus observaciones científicas. El 9 de abril se consideró el comienzo oficial de la misión operativa, y pocos días después, el 15 de abril, la cámara CaSSIS obtuvo su primera imagen desde la órbita casi circular, mostrando el borde del cráter Korolev con una resolución de unos 5 metros por píxel. Desde entonces, la sonda ha mantenido una órbita de 370 por 420 kilómetros con un periodo de 2 horas, que le permite observar casi todo el planeta con una excelente estabilidad radiométrica.

Los instrumentos NOMAD y ACS comenzaron la adquisición sistemática de espectros de la atmósfera marciana, centrando su análisis en los compuestos traza como el metano, el dióxido de azufre o el vapor de agua. Los primeros resultados, publicados en 2018, mostraron que la concentración global de metano era inferior al umbral de detección de ambos espectrómetros, de unas 50 partes por billón, en contraste con las mediciones locales realizadas por el rover Curiosity en el cráter Gale. Este hallazgo indicó que el metano, si existe, debe producirse en cantidades muy pequeñas o tener una distribución espacial y temporal extremadamente variable.

El detector FREND completó sus primeros mapas de neutrones epitermais, que revelaron diferencias significativas en el contenido de hidrógeno del subsuelo entre distintas regiones, lo que permitió inferir la presencia de hielo de agua a pocos decímetros de profundidad, especialmente en latitudes medias y altas. Al mismo tiempo, la cámara CaSSIS continuó generando imágenes a color y en estéreo de regiones seleccionadas, como Noctis Labyrinthus, Arsia Chasmata o los volcanes de Tharsis, contribuyendo a la cartografía topográfica de alta resolución y a la identificación de posibles variaciones estacionales de polvo y nubes.

El orbitador sigue desempeñando un papel fundamental como plataforma de retransmisión de datos, utilizando el módulo Electra para mantener comunicaciones con los rovers de la NASA Curiosity y Perseverance, y con el módulo InSight. Gracias a su órbita estable y su capacidad de enlace, TGO se ha convertido en uno de los principales nodos de comunicaciones interplanetarias en torno a Marte.

Cronología de la misión ExoMars TGO

Lanzamiento	18 noviembre 2013
Inserción en órbita de Marte	22 septiembre 2014
Inicio de operaciones científicas	noviembre 2014

Galería de imágenes de la misión ExoMars TGO

Referencias y más información:

• Página oficial de la misión ExoMars de la ESA
• ExoMars TGO en The Planetary Society
• Instrumento NOMAD en Instituto de Aeronomía de Bélgica
• ExoMars 2016 en Russian Space Web
• Korablev O., et al. «No detection of methane on Mars from early ExoMars Trace Gas Orbiter observations«. Nature 568 (2019): 517-520.

Misiones espaciales a Marte en No Sólo Sputnik!: