LCROSS

Misión de la NASA que confirmó la existencia de agua en el subsuelo del polo sur lunar mediante un impacto controlado

LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) fue una misión de la NASA destinada a identificar agua y otros compuestos volátiles en el material situado bajo la superficie de una región de sombra permanente del polo sur lunar. Lanzada el 18 de junio de 2009 junto con Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), utilizó la etapa superior Centaur de su propio cohete como proyectil. El 9 de octubre, el impacto en el cráter Cabeus expulsó regolito y gases que fueron analizados durante unos cuatro minutos por una nave equipada con cámaras, espectrómetros y un fotómetro, antes de que esta también colisionara con la Luna.

El experimento proporcionó indicios espectroscópicos directos de agua en forma de vapor y hielo dentro de la nube de material expulsado. Su análisis inicial estimó una concentración de hielo de agua del 5,6 ± 2,9 % en masa en el material observado, con una incertidumbre vinculada a la cantidad de regolito excavado que recibió iluminación solar. LCROSS no cartografió las reservas de hielo del polo sur: obtuvo una muestra remota de un emplazamiento concreto y permitió estudiar, además, la respuesta mecánica del terreno al impacto.

Antecedentes y objetivos de la misión LCROSS

La búsqueda de agua en la Luna cambió durante la década de 1990 al identificarse posibles depósitos de hielo en las regiones polares. La misión Clementine aportó indicios mediante medidas de radar cuya interpretación resultó controvertida. Posteriormente, el espectrómetro de neutrones de Lunar Prospector detectó una disminución del flujo de neutrones epitérmicos cerca de ambos polos, compatible con una mayor abundancia de hidrógeno en el primer metro del subsuelo. Esa señal no permitía distinguir entre hielo de agua, hidrógeno incorporado a minerales u otras posibles formas de almacenamiento.

La hipótesis del hielo polar se apoyaba en la existencia de trampas frías: depresiones cuyos fondos no reciben luz solar directa debido a la escasa inclinación del eje de rotación lunar y a la geometría del relieve. En ellas, las temperaturas pueden mantenerse lo bastante bajas como para limitar durante intervalos prolongados la sublimación, es decir, el paso directo del hielo a vapor. La presencia de hidrógeno, sin embargo, no resolvía por sí sola la composición del material almacenado ni su distribución espacial. Esa diferencia entre una señal indirecta y una identificación molecular justificó un experimento específico.

En 2006, la Dirección de Sistemas de Exploración de la NASA convocó propuestas para utilizar la capacidad de carga disponible en el lanzamiento de LRO. La propuesta de LCROSS, coordinada por el Centro de Investigación Ames y seleccionada el 10 de abril de ese año, debía desarrollarse con un límite de aproximadamente 79 millones de dólares y una masa inferior a 1.000 kg. Northrop Grumman asumió el diseño y la integración de la plataforma. La misión se encuadró en el programa de precursores robóticos lunares asociado a los planes de exploración humana de aquella etapa.

El objetivo científico principal consistía en buscar la firma espectral del agua dentro de una nube de material extraído de una zona permanentemente sombreada. Como objetivos complementarios se establecieron la detección de otras especies volátiles, la observación de la evolución de los materiales expulsados y la caracterización del cráter originado por el impacto. Se eligió un experimento de colisión porque los instrumentos ópticos de un orbitador no pueden examinar directamente el suelo oculto a la luz: el impacto debía elevar una parte del regolito hasta una región donde pudiera iluminarse y analizarse espectroscópicamente.

LCROSS se concibió como una misión independiente desde el punto de vista científico y operativo, aunque compartiera lanzamiento con LRO. El orbitador disponía de su propio programa de observación, mientras que LCROSS debía completar un recorrido de varios meses y terminar en dos impactos deliberados. Los instrumentos de LRO, junto con observatorios terrestres y espaciales, ofrecieron observaciones complementarias del mismo episodio, pero no formaban parte de la carga útil de LCROSS.

Características de la misión LCROSS

La arquitectura combinaba dos elementos con funciones distintas. La etapa superior Centaur, utilizada inicialmente para impulsar el conjunto fuera de la órbita terrestre, permaneció unida a la nave durante el crucero y actuó después como impactador cinético. El segundo elemento era la denominada «Shepherding Spacecraft»»», la plataforma que proporcionaba navegación, control de actitud, comunicaciones y alimentación eléctrica a los instrumentos. Esta nave debía seguir al Centaur, observar su impacto y transmitir los datos a la Tierra antes de colisionar también con la superficie.

La estructura de la plataforma aprovechaba un anillo ESPA (Evolved Expendable Launch Vehicle Secondary Payload Adapter), diseñado originalmente para alojar pequeñas cargas secundarias. En LCROSS, el anillo pasó a funcionar como elemento central de la nave, con equipos montados en paneles periféricos. En su interior se instaló un depósito de hidracina para el sistema de propulsión monopropelente, utilizado en correcciones de trayectoria y control de orientación. El empleo de componentes ya desarrollados redujo las modificaciones necesarias para adaptar la nave a las restricciones del lanzamiento compartido.

La plataforma incorporaba panel solar, baterías, antenas de banda S, equipos de telecomunicación, sensores de orientación y ordenador de a bordo. El control de actitud debía mantener una orientación adecuada respecto al Sol, la Tierra y el objetivo durante fases de vuelo muy diferentes. Para el encuentro final, la antena de ganancia media y la cadena de tratamiento de datos tenían que sostener el envío directo de las observaciones, ya que la destrucción de la nave impediría recuperarlas con posterioridad. El suministro y la regulación térmica de los propulsores también condicionaron las maniobras durante el crucero.

La plataforma tenía una masa de 891 kg al lanzamiento, incluidos 306 kg de hidracina. El kit de prensa de la NASA preveía una masa al impacto de entre 621 y 866 kg, según la cantidad de propelente que permaneciera a bordo. La masa de la etapa Centaur que produjo el impacto fue del orden de 2.300 kg, mucho mayor que la de la plataforma científica. Esta diferencia respondía al diseño experimental: la etapa proporcionaba la energía necesaria para excavar el terreno, mientras que la nave posterior alojaba los sensores y la capacidad de transmitir los resultados. No se trataba de un módulo de aterrizaje ni de una misión preparada para operar sobre la superficie.

Instrumentación científica

LCROSS transportaba nueve instrumentos distribuidos en cinco cámaras, tres espectrómetros y un fotómetro. Una cámara en el visible proporcionaba el contexto geométrico de la superficie, la posición del impacto y la evolución de los materiales eyectados. Dos cámaras de infrarrojo cercano y otras dos de infrarrojo medio ampliaban la observación a bandas espectrales sensibles a propiedades térmicas y a la distribución espacial de polvo y hielo. La combinación de imágenes visibles y térmicas facilitó separar el brillo reflejado por el regolito de la emisión producida por el calentamiento asociado al impacto.

Dos espectrómetros de infrarrojo cercano registraban la intensidad de la radiación según su longitud de onda, buscando bandas de absorción características del vapor de agua y del hielo. Un espectrómetro ultravioleta-visible examinaba emisiones de átomos y radicales, entre ellos el radical hidroxilo (OH), que puede producirse cuando las moléculas de agua se fragmentan por la radiación solar. Estas señales no son equivalentes: cada una requiere interpretar la iluminación, las temperaturas, la densidad de la nube y los procesos químicos que ocurren después del choque.

El fotómetro de luminosidad total estaba destinado a medir cambios rápidos de brillo, especialmente el destello inicial. Una unidad electrónica central sincronizaba y encaminaba los datos del conjunto instrumental. Las observaciones se organizaron para registrar fases sucesivas: el impacto, el ascenso de los materiales eyectados y la aproximación al nuevo cráter. Los instrumentos no analizaban muestras recogidas físicamente; registraban la radiación procedente del material que alcanzaba sus campos de visión.

Desarrollo de la misión LCROSS

Lanzamiento

LCROSS despegó el 18 de junio de 2009 a las 21:32 UTC desde el Complejo de Lanzamiento 41 de Cabo Cañaveral, a bordo de un Atlas V 401, junto con LRO. Una vez completada la inyección translunar, el orbitador se separó y siguió su propia trayectoria hacia la inserción en órbita lunar. LCROSS permaneció unida a la etapa Centaur, que después de las maniobras del lanzador dejó de utilizarse como sistema de propulsión principal. Mantener esta unión hasta el final del viaje permitía emplear la masa de la etapa para el experimento.

Sobrevuelo lunar y crucero

El 23 de junio, el conjunto LCROSS-Centaur efectuó un sobrevuelo de la Luna a unos 3.270 km, que modificó su trayectoria mediante una asistencia gravitatoria. La maniobra lo situó en una órbita terrestre muy alargada, con un periodo aproximado de 37 días y apogeos próximos a la distancia lunar. Durante los 112 días de misión, la trayectoria permitió realizar tres recorridos amplios antes del encuentro final. En el sobrevuelo se obtuvieron imágenes y espectros de la superficie que sirvieron para comprobar el alineamiento y la respuesta de los instrumentos.

El crucero incluyó maniobras de ajuste y operaciones de acondicionamiento de la etapa Centaur. Era necesario reducir las posibles reservas de sustancias relacionadas con el combustible para disminuir el riesgo de atribuir al suelo lunar material originado en el propio impactador. Las cámaras y los espectrómetros también observaron la Tierra y la Luna en varias configuraciones geométricas para verificar su comportamiento. Estas pruebas instrumentales se realizaron antes de disponer de la única oportunidad de observación científica prevista sobre Cabeus.

Incidencia de propelente y selección del objetivo

El 22 de agosto se detectó una anomalía relacionada con un sensor que originó una secuencia de maniobras y un consumo no previsto de aproximadamente 140 kg de propelente. La reserva disponible disminuyó de forma considerable, pero el equipo de operaciones revisó los procedimientos para conservar la capacidad de corregir la trayectoria y completar la secuencia final. La incidencia no se tradujo en una extensión de la misión ni en un cambio de sus objetivos científicos.

La elección del lugar de impacto se revisó durante septiembre al incorporarse mapas de hidrógeno, modelos topográficos y estimaciones de iluminación. Primero se consideró Cabeus A y después se seleccionó el cráter principal Cabeus. El nuevo emplazamiento ofrecía una señal de hidrógeno elevada, temperaturas bajas y una geometría que permitía observar una parte de la nube cuando alcanzara zonas iluminadas. El cambio no implicó que todo el cráter contuviera la misma cantidad de hielo: la selección se refería a un punto de impacto concreto.

Separación e impactos en Cabeus

El 9 de octubre de 2009, hacia las 01:50 UTC, la nave se separó del Centaur cuando aún faltaban varias horas para alcanzar la superficie. Después ejecutó una maniobra de frenado relativa, de manera que la etapa impactara primero y la plataforma científica llegara unos cuatro minutos después. Los instrumentos quedaron orientados al lugar previsto y las comunicaciones se configuraron para transmitir la observación a la máxima velocidad de datos disponible. El descenso final no incluía una fase de aterrizaje controlado ni posibilidad de recuperación.

El Centaur impactó en Cabeus a las 11:31:19 UTC, a una velocidad próxima a 2,5 km/s. La colisión generó un destello breve, un foco térmico y material eyectado que evolucionó dentro y por encima de la región sombreada. Las cámaras y los espectrómetros siguieron la escena mientras la propia nave se aproximaba. A las 11:35:36 UTC, aproximadamente cuatro minutos y diecisiete segundos después del primer choque, la «Shepherding Spacecraft» también impactó en Cabeus y terminó la transmisión. La misión había finalizado conforme al procedimiento previsto.

La NASA comunicó la identificación preliminar de agua el 13 de noviembre de 2009; los primeros artículos científicos detallados se publicaron en octubre de 2010. La misión proporcionó una determinación localizada de agua y otros volátiles en Cabeus, con limitaciones cuantificadas sobre la masa observada y su distribución.

Resultados científicos

Detección de agua y estimación de su abundancia

Los espectros obtenidos después del impacto presentaron absorciones en el infrarrojo cercano compatibles con agua en forma de vapor y partículas de hielo. De manera independiente, la señal ultravioleta de OH apoyó la presencia de compuestos que contenían agua en el material expulsado. La coincidencia temporal de estas observaciones con la excavación de Cabeus permitió asociarlas al regolito del lugar de impacto. A diferencia de las medidas previas de neutrones, la identificación se basó en firmas espectrales de especies moleculares vinculadas al agua, aunque necesitó modelos para interpretar la cantidad presente.

Colaprete y colaboradores estimaron un máximo de 155 ± 12 kg de agua, entre vapor y hielo, dentro de los campos de visión examinados. Esta cifra no representa toda el agua del cráter ni necesariamente toda la expulsada en la colisión: describe el material detectable bajo las condiciones y límites del experimento. Al compararla con una estimación de la masa de regolito excavado que alcanzó zonas iluminadas, se calculó una fracción de hielo de agua del 5,6 ± 2,9 % en masa. La incertidumbre incorpora limitaciones en la reconstrucción de la nube, la geometría y la cantidad de material efectivamente observado.

El porcentaje se refiere, por tanto, a un volumen limitado de regolito alterado por el impacto y no debe extrapolarse como valor medio de los depósitos polares lunares. Tampoco equivale a una medición directa de la profundidad o continuidad de una capa de hielo. En LCROSS se observó agua liberada durante un proceso dinámico, no un corte estratigráfico del subsuelo. El conjunto de datos es compatible con la presencia de hielo mezclado con regolito en el emplazamiento de Cabeus, pero no permite determinar por sí solo la distribución de ese hielo a escala regional.

Morfología de la nube y formación del cráter

El experimento registró el destello inicial, una señal térmica y la evolución de una nube de polvo y vapor que resultó menos visible desde la Tierra de lo previsto inicialmente. El análisis de Schultz y colaboradores identificó un cráter de unos 25 a 30 m de diámetro en las imágenes finales, junto con una componente de partículas que seguía trayectorias balísticas elevadas y regresaba a la superficie. La escasa intensidad óptica y las diferencias entre los componentes de la nube ayudaron a estudiar la forma en que un impactador hueco interactúa con un regolito poroso.

La geometría del material expulsado determina qué parte alcanza la iluminación solar y puede detectarse en un espectro. Esto es importante porque la cantidad de agua estimada depende tanto de la intensidad de las firmas espectrales como de la masa total de partículas a la que se atribuyen. La observación no permite aplicar sin ajustes la teoría de un impacto en un terreno homogéneo: la densidad y la cohesión de la capa superficial, la estructura del Centaur y la distribución de velocidades modificaron la forma y el brillo de la nube.

Un análisis posterior de imágenes tomadas desde el observatorio Apache Point recuperó una señal óptica muy débil del material expulsado. Strycker y colaboradores publicaron en 2013 una reconstrucción que distinguía al menos dos componentes de la nube y refinaba las estimaciones de sus velocidades y de la masa de material iluminado. Con ese método se obtuvo una abundancia de agua de 6,3 ± 1,6 % en masa. No debe presentarse como una segunda medida independiente de agua: es una reevaluación de la masa de material expulsado que emplea las observaciones de LCROSS para inferir su contenido en agua.

Otros compuestos volátiles

Además de las señales vinculadas al agua, los espectrómetros de LCROSS detectaron rasgos compatibles con otros materiales volátiles, incluidos hidrocarburos ligeros, dióxido de carbono y especies que contienen azufre. La interpretación exigió separar líneas de emisión, bandas moleculares y contribuciones de polvo, y considerar que ciertas moléculas pueden transformarse rápidamente al quedar expuestas a la radiación solar. El resultado principal no fue disponer de un inventario químico completo del subsuelo, sino comprobar que el material liberado no estaba constituido exclusivamente por agua y silicatos.

Durante el mismo episodio, el instrumento LAMP de LRO observó emisiones ultravioleta asociadas a hidrógeno molecular y monóxido de carbono, así como señales compatibles con mercurio atómico, calcio y magnesio. Gladstone y colaboradores modelizaron la expansión del gas a partir de esas emisiones. Estas detecciones pertenecen a LRO, no al instrumental de LCROSS, aunque estudian material excavado por el Centaur. Su incorporación permite completar la interpretación de la nube, siempre que se mantenga separado el origen de cada medida y no se sumen sin más las abundancias inferidas con distintas geometrías de observación.

Temperaturas y estabilidad del hielo en Cabeus

El radiómetro térmico Diviner, a bordo de LRO, observó una señal de calor unos 90 segundos después del impacto y en pasos orbitales posteriores. Hayne y colaboradores estimaron que el impacto había calentado una superficie de entre 30 y 200 m² al menos hasta 950 K. La energía térmica restante podía sostener la sublimación de parte del hielo durante los minutos en los que LCROSS registró la nube. El resultado vinculaba la presencia de vapor no solo a la excavación instantánea, sino también al calentamiento del material cercano al cráter recién formado.

Las medidas de Diviner anteriores al episodio y los modelos térmicos situaban la región del impacto entre las trampas frías del polo sur, con temperaturas subsuperficiales estimadas próximas a 38 K. En esas condiciones, el hielo y otros compuestos volátiles pueden permanecer atrapados durante periodos prolongados. La permanencia efectiva depende de su profundidad, de las propiedades del regolito y de la evolución térmica del lugar. LCROSS comprobó la composición de material extraído de una trampa fría; el estudio de Diviner ayudó a establecer el contexto físico que hacía posible su conservación.

Alcance e interpretación de las observaciones

Los instrumentos registraron el material después de una colisión a gran velocidad, un proceso que calienta, fragmenta y mezcla las sustancias presentes antes del impacto. Por ello, no todas las especies gaseosas identificadas tienen que haber existido previamente en el terreno en la misma forma química. Tampoco fue posible muestrear la superficie de Cabeus de manera continuada ni comparar varios emplazamientos con un protocolo idéntico. La abundancia de agua obtenida es local y está condicionada por un modelo de excavación, observación e iluminación.

Las restricciones de los telescopios terrestres no invalidaron las medidas tomadas desde la nave: una nube tenue, parcialmente oculta por el relieve y observada desde un ángulo diferente puede escapar a su sensibilidad. Los resultados publicados entre 2010 y 2013 permitieron interpretar conjuntamente la emisión térmica, el movimiento de partículas, las absorciones del agua y las emisiones ultravioletas. Esa complementariedad es más informativa que considerar por separado una imagen óptica o un espectro aislado.

En 2022, Mandt y colaboradores compararon la composición elemental inferida de los volátiles de LCROSS y LAMP con distintas fuentes posibles. Su modelo favorece una aportación exógena, especialmente de material cometario, frente a una explicación dominada por desgasificación volcánica. Se trata de una interpretación geoquímica posterior, dependiente de hipótesis sobre la conservación y liberación de los compuestos; no es una identificación directa de cometas realizada por LCROSS. La edad y el origen concreto de los depósitos no quedaron medidos por la nave.

Cronología de la misión LCROSS

Lanzamiento	18 de junio de 2009
Sobrevuelo lunar y asistencia gravitatoria	23 de junio de 2009
Corrección de trayectoria hacia Cabeus	30 de septiembre de 2009
Separación entre LCROSS y la etapa Centaur	9 de octubre de 2009
Impacto del Centaur en Cabeus	9 de octubre de 2009
Impacto de la plataforma LCROSS y fin del vuelo	9 de octubre de 2009

Referencias y más información:

• Mandt, K. E. et al. (2022). Exogenic Origin for the Volatiles Sampled by the Lunar CRater Observation and Sensing Satellite Impact. Nature Communications
• Ennico, K. et al. (2012). The Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) Payload Development and Performance in Flight. Space Science Reviews
• Strycker, P. D. et al. (2013). Characterization of the LCROSS Impact Plume from a Ground-Based Imaging Detection. Nature Communications
• Andrews, D. R. (2010). LCROSS: A High Return, Small Satellite Mission. NASA Technical Reports Server
• Colaprete, A. et al. (2010). Detection of Water in the LCROSS Ejecta Plume. Science
• Schultz, P. H. et al. (2010). The LCROSS Cratering Experiment. Science
• Gladstone, G. R. et al. (2010). LRO-LAMP Observations of the LCROSS Impact Plume». Science
• Hayne, P. O. et al. (2010). Diviner Lunar Radiometer Observations of the LCROSS Impact. Science
• Paige, D. A. et al. (2010). Diviner Lunar Radiometer Observations of Cold Traps in the Moon’s South Polar Region. Science