LADEE

Primera misión dedicada al estudio de la exosfera y del entorno de polvo de la Luna desde una órbita de baja altitud

LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) fue una misión de la NASA diseñada para estudiar la exosfera y el entorno de polvo lunar desde una órbita de muy baja altitud. Lanzada el 7 de septiembre de 2013 como la primera misión del programa Lunar Quest, su objetivo fue obtener medidas directas de la composición, densidad y variabilidad temporal de esta tenue envoltura gaseosa, así como caracterizar la distribución de partículas de polvo próximas a la superficie. La misión concluyó el 18 de abril de 2014 tras completar su programa científico e impactar de forma controlada sobre la cara oculta de la Luna.

Antecedentes y objetivos

La Luna posee una exosfera extremadamente tenue formada por átomos y moléculas tan dispersos que apenas llegan a colisionar entre sí. A diferencia de las atmósferas de planetas como la Tierra o Marte, su composición depende de un equilibrio continuo entre los procesos que liberan partículas desde la superficie y aquellos que las devuelven al regolito o las hacen escapar al espacio.

Las primeras evidencias de esta exosfera procedían de los experimentos realizados durante el programa Apolo y de observaciones espectroscópicas desde la Tierra. Estos trabajos confirmaron la presencia de elementos como helio, argón, sodio y potasio, pero también mostraron que gran parte de su composición permanecía sin identificar. A comienzos de la década de 2010 seguían existiendo importantes incertidumbres sobre el origen de estos gases, su variabilidad temporal y la influencia del viento solar, la radiación ultravioleta, la magnetocola terrestre y los impactos de micrometeoritos en su evolución.

Otra cuestión abierta era el comportamiento del polvo que rodea la Luna. Las imágenes obtenidas por las sondas Surveyor y diversas observaciones realizadas durante el programa Apolo habían dado lugar a la hipótesis de que pequeñas partículas podían elevarse por fuerzas electrostáticas formando el denominado horizonte brillante lunar. Sin embargo, las observaciones disponibles no permitían determinar la distribución del polvo ni establecer si este mecanismo predominaba frente a la eyección producida por impactos de micrometeoritos.

El informe The Scientific Context for Exploration of the Moon, elaborado por el National Research Council, identificó el estudio de la exosfera y del entorno de polvo como una de las prioridades científicas para la exploración lunar. Además del interés científico, existía la necesidad de caracterizar este entorno antes del incremento previsto de misiones robóticas y futuras actividades humanas sobre la superficie, capaces de modificar localmente una exosfera extremadamente sensible a cualquier perturbación.

Con estos objetivos, la NASA desarrolló LADEE dentro del programa Lunar Quest. La misión debía determinar la composición de la exosfera, estudiar su variabilidad espacial y temporal, identificar los procesos responsables de su mantenimiento y caracterizar la distribución del polvo en las proximidades de la Luna. Los resultados obtenidos servirían también para comprender otros cuerpos del Sistema Solar con exosferas, como Mercurio o varios satélites helados.

Diseño de la misión

LADEE fue desarrollada por el Ames Research Center de la NASA utilizando una plataforma modular concebida para reducir el coste y el tiempo de desarrollo de futuras sondas de pequeño tamaño. Esta arquitectura permitía adaptar una misma estructura básica a diferentes tipos de misiones mediante módulos intercambiables, simplificando tanto la fabricación como la integración de los distintos subsistemas.

La nave tenía una masa al lanzamiento de 383 kg y una estructura prismática de aproximadamente 2,4 m de altura. La energía era suministrada por paneles solares capaces de generar unos 295 W, mientras que el sistema de propulsión, basado en un motor principal de combustible líquido y varios propulsores de control de actitud, proporcionaba el impulso necesario para las maniobras de inserción orbital y las sucesivas reducciones de altitud realizadas durante la misión.

La estrategia orbital constituyó un elemento esencial del diseño científico. Tras alcanzar la Luna, LADEE fue situada en una órbita ecuatorial retrógrada que posteriormente se redujo hasta altitudes comprendidas entre 20 y 60 km sobre la superficie. Esta configuración permitía atravesar repetidamente el terminador lunar, donde se esperaba que las variaciones de la exosfera y del entorno de polvo fueran más acusadas. Además, facilitaba el estudio de la respuesta de la exosfera durante el paso periódico de la Luna por la magnetocola terrestre y mantenía los instrumentos orientados en la dirección del movimiento de la nave para optimizar las medidas de gases y partículas.

La carga útil científica estaba formada por tres instrumentos complementarios:

• El Neutral Mass Spectrometer (NMS) era un espectrómetro de masas cuadrupolar diseñado para identificar partículas neutras según su masa atómica. Su objetivo consistía en medir directamente la composición de la exosfera, determinar la abundancia de sus principales constituyentes y analizar sus variaciones en función de la iluminación solar y de las condiciones del entorno espacial.
• El Ultraviolet and Visible Spectrometer (UVS) observaba la emisión y dispersión de radiación en longitudes de onda ultravioleta y visibles. Sus medidas permitían estudiar la distribución de elementos como el sodio y el potasio, así como detectar partículas de polvo mediante la luz dispersada durante observaciones del limbo y ocultaciones.
• El Lunar Dust Experiment (LDEX) era un detector de polvo basado en la ionización producida por el impacto de partículas microscópicas. El instrumento registraba tanto impactos individuales como señales colectivas generadas por partículas de menor tamaño, permitiendo caracterizar la distribución del polvo alrededor de la Luna y comprobar la posible existencia de partículas elevadas por procesos electrostáticos.

Además de la carga útil científica, LADEE transportó el experimento Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD), desarrollado como una demostración tecnológica independiente. Su objetivo fue validar un sistema de comunicaciones ópticas mediante láser entre la Luna y la Tierra, capaz de transmitir datos a velocidades muy superiores a las obtenidas mediante radiofrecuencia.

Desarrollo de la misión

LADEE fue lanzada el 7 de septiembre de 2013 mediante un cohete Minotaur V desde la plataforma 0B del Mid-Atlantic Regional Spaceport, en la isla Wallops (Virginia). Fue la primera misión con destino a la Luna lanzada desde esta instalación y el vuelo inaugural de un lanzador Minotaur V.

En lugar de seguir una trayectoria de transferencia directa, la misión utilizó una trayectoria de baja energía. Durante aproximadamente un mes la nave realizó tres órbitas terrestres progresivamente más amplias, incrementando su apogeo hasta alcanzar la distancia lunar con un menor consumo de combustible.

El 6 de octubre de 2013 LADEE realizó la maniobra de inserción en órbita lunar, inicialmente con una órbita elíptica de 24 horas de periodo. Dos encendidos posteriores del motor principal, los días 9 y 12 de octubre, redujeron progresivamente la altitud hasta una órbita de aproximadamente 235 × 250 km. Finalmente, el 20 de noviembre alcanzó la órbita científica definitiva, prácticamente ecuatorial, con altitudes comprendidas entre 20 y 60 km.

Durante más de cien días los tres instrumentos científicos operaron de forma prácticamente continua, registrando la composición de la exosfera y la distribución del polvo bajo diferentes condiciones de iluminación, actividad solar y posición de la Luna respecto a la magnetocola terrestre.

La misión también llevó a cabo varias observaciones de oportunidad. En diciembre de 2013, coincidiendo con el aterrizaje de la misión china Chang’e 3, LADEE analizó si los gases expulsados por los motores del módulo de descenso alteraban la composición de la exosfera o el entorno de polvo. El 15 de enero de 2014 la Lunar Reconnaissance Orbiter fotografió LADEE mientras ambas naves orbitaban simultáneamente la Luna.

La campaña científica principal concluyó a comienzos de marzo de 2014. Posteriormente, los controladores aprovecharon el combustible restante para reducir progresivamente la altitud de la órbita y obtener observaciones cada vez más próximas a la superficie. En el penúltimo paso orbital, el 17 de abril de 2014, la nave descendió hasta unos 300 m de altitud, una de las menores alcanzadas por una misión en órbita alrededor de la Luna.

El contacto con LADEE se perdió el 18 de abril de 2014 cuando la nave pasó tras la cara oculta. A partir de la trayectoria prevista, la NASA determinó que había impactado contra la superficie entre las 04:30 y las 05:22 UTC cerca del borde oriental del cráter Sundman V, a una velocidad aproximada de 5.800 km/h. El 28 de octubre de 2014, la Lunar Reconnaissance Orbiter localizó el lugar del impacto, identificando una pequeña alteración del terreno compatible con la posición calculada.

Resultados científicos

La exosfera lunar es un entorno dinámico

Antes de LADEE, el conocimiento de la exosfera lunar procedía principalmente de los experimentos realizados durante las misiones Apolo y de observaciones espectroscópicas desde la Tierra. Aunque estas investigaciones habían confirmado la presencia de elementos como helio, argón, sodio y potasio, apenas existían medidas continuadas que permitieran estudiar su evolución temporal.

El espectrómetro de masas NMS obtuvo la primera caracterización sistemática de la composición de la exosfera desde una órbita de muy baja altitud. Durante más de cien días registró de forma continua la abundancia de los principales gases mientras la nave atravesaba regiones iluminadas y oscuras de la Luna bajo diferentes condiciones del entorno espacial.

Las observaciones demostraron que la exosfera no constituye una envoltura estable, sino un sistema dinámico en el que los átomos son liberados continuamente desde la superficie, describen trayectorias balísticas y vuelven a depositarse sobre el regolito o escapan al espacio. La composición de la exosfera varía de forma continua como consecuencia de la radiación solar, el viento solar, los impactos de micrometeoritos y la temperatura superficial.

El origen de los gases de la exosfera

Uno de los principales objetivos de LADEE consistía en determinar el origen de los gases presentes alrededor de la Luna y los mecanismos responsables de mantener la exosfera.

Las medidas del NMS mostraron que el helio presenta una estrecha relación con el viento solar. Su concentración aumentaba cuando la Luna permanecía expuesta al flujo continuo de partículas procedentes del Sol y disminuía durante el paso por la magnetocola terrestre, donde el viento solar deja de alcanzar directamente la superficie. Estas observaciones confirmaron que el viento solar constituye una fuente continua de helio para la exosfera lunar.

El comportamiento del argón-40 fue diferente. Su abundancia apenas respondió a los cambios en el entorno espacial, ya que este gas se origina en el interior de la Luna por la desintegración radiactiva del potasio-40 presente en las rocas. Posteriormente migra lentamente hasta la superficie, donde pasa a formar parte de la exosfera. Las medidas obtenidas por LADEE confirmaron que este proceso continúa activo en la actualidad.

La misión también permitió observar cómo las concentraciones de distintos gases cambian entre el día y la noche lunar. El calentamiento de la superficie favorece la liberación de determinadas especies, mientras que durante la noche una parte de ellas vuelve a quedar adsorbida por el regolito. Estas observaciones proporcionaron una visión mucho más completa de los procesos que controlan el equilibrio de la exosfera lunar.

Las observaciones del NMS también permitieron proponer un modelo actualizado del ciclo del agua en la Luna, en el que el viento solar, los impactos de micrometeoritos y el intercambio continuo entre el regolito y la exosfera desempeñan un papel fundamental en la redistribución del agua a escala global.

Detección de iones en la exosfera lunar

Además de estudiar partículas neutras, el espectrómetro de masas NMS fue utilizado para detectar directamente iones presentes en la exosfera lunar. Estas observaciones permitieron caracterizar por primera vez la población de partículas cargadas eléctricamente que rodea la Luna.

Las medidas confirmaron que la interacción entre la exosfera y el viento solar genera una población de partículas ionizadas cuya composición puede estudiarse desde órbita. Entre las especies detectadas aparecieron indicios compatibles con compuestos que contienen carbono, aunque los autores del estudio señalaron que estas observaciones requerían confirmación mediante investigaciones posteriores.

Cronología de la misión LADEE

Lanzamiento	7 de septiembre de 2013
Inserción en órbita lunar	6 de octubre de 2013
Inicio de la órbita científica (20 × 60 km)	20 de noviembre de 2013
Observaciones durante el aterrizaje de Chang’e 3	Diciembre de 2013
Fotografía de LADEE obtenida por la Lunar Reconnaissance Orbiter	15 de enero de 2014
Impacto sobre la cara oculta de la Luna y fin de la misión	18 de abril de 2014

Galería de la misión LADEE

Referencias y más información

• Horányi, M., Szalay, J. R., Kempf, S., et al. A permanent, asymmetric dust cloud around the Moon. Nature. 2018
• Benna, M., Elphic, R. C., et al. Detections of lunar exospheric ions by the LADEE neutral mass spectrometer. Geophysical Research Letters, 2015.
• Mahaffy, P. R., Benna, M., King, T., et al. The Neutral Mass Spectrometer on the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer Mission. Space Science Reviews, 2014.
• Misión LADEE en NASA Science.