SMART-1

Primera misión de la Agencia Espacial Europea en alcanzar la Luna

SMART-1 fue la primera misión de la Agencia Espacial Europea en alcanzar la Luna. Lanzada el 27 de septiembre de 2003 y finalizada el 3 de septiembre de 2006, inauguró el programa Small Missions for Advanced Research in Technology, concebido para validar nuevas tecnologías en condiciones reales de vuelo. La misión completó sus principales objetivos tecnológicos y desarrolló una campaña científica desde órbita lunar.

SMART-1 fue diseñada con un doble propósito. Por una parte, debía demostrar el empleo de un sistema de propulsión eléctrica como medio principal para abandonar la órbita terrestre y alcanzar otro cuerpo celeste. También evaluó sistemas de navegación autónoma, comunicaciones de espacio profundo, baterías de ion-litio y componentes miniaturizados. Por otra, estudió la superficie lunar mediante imágenes, espectroscopia infrarroja y fluorescencia de rayos X, con observaciones dirigidas a su composición elemental y mineralógica, las propiedades físicas del regolito y distintas regiones geológicas y polares.

La nave permaneció casi tres años en funcionamiento. Tras una transferencia de más de un año mediante una trayectoria en espiral alrededor de la Tierra, fue capturada por la gravedad lunar en noviembre de 2004 e inició sus operaciones científicas en marzo de 2005. La misión concluyó mediante un impacto controlado en Lacus Excellentiae, después de una fase ampliada de observaciones.

Antecedentes y objetivos

A finales de la década de 1990, la Agencia Espacial Europea (ESA) puso en marcha el programa Small Missions for Advanced Research in Technology (SMART) con el objetivo de desarrollar misiones de bajo coste, reducida masa y plazos de desarrollo relativamente cortos que permitieran validar nuevas tecnologías en condiciones reales de vuelo. Tras evaluar distintas arquitecturas de misión y posibles destinos, la Luna fue seleccionada como objetivo de la primera misión del programa por ofrecer un entorno adecuado para ensayar tecnologías destinadas a futuras misiones de exploración del Sistema Solar.

La proximidad de la Luna permitía comprobar el funcionamiento de un sistema de propulsión eléctrica durante un viaje de larga duración, así como evaluar nuevos sistemas de navegación, comunicaciones y operaciones en el espacio profundo antes de emplearlos en misiones dirigidas a destinos más lejanos. Al mismo tiempo, la Luna seguía planteando numerosas cuestiones científicas sobre la composición de su corteza, la distribución de minerales, la evolución de las grandes cuencas de impacto y las características de las regiones polares, a pesar de los avances obtenidos por las misiones Apollo, Luna, Clementine y Lunar Prospector.

SMART-1 fue aprobada en 1999 y desarrollada en aproximadamente dos años y medio, un plazo reducido para una misión de exploración planetaria. Este enfoque respondía a la filosofía del programa SMART, orientada a demostrar tecnologías mediante misiones de complejidad moderada y elevado contenido tecnológico.

Los objetivos tecnológicos de la misión incluían demostrar el empleo de un propulsor de efecto Hall alimentado por energía solar como sistema principal de propulsión, validar sistemas de navegación autónoma y comunicaciones de espacio profundo, ensayar baterías de ion-litio y verificar el funcionamiento de una nueva generación de instrumentos científicos miniaturizados.

Desde el punto de vista científico, SMART-1 fue diseñada para estudiar la composición elemental y mineralógica de la superficie lunar, obtener imágenes de alta resolución, analizar las propiedades ópticas del regolito e investigar regiones de interés geológico, entre ellas grandes cuencas de impacto, mares basálticos, tierras altas y las regiones polares. Estas observaciones permitirían ampliar el conocimiento sobre la evolución geológica de la Luna y proporcionar nuevos datos para la interpretación de su superficie.

Diseño de la misión SMART-1

La arquitectura de SMART-1 permitó demostrar el empleo continuado de un sistema de propulsión eléctrica durante un viaje de larga duración y, una vez alcanzada la Luna, realizar observaciones de la superficie desde una órbita polar progresivamente reducida para adaptarse a las distintas fases del programa científico.

La nave tenía una masa de lanzamiento de aproximadamente 367 kg, de los cuales unos 82 kg correspondían al xenón utilizado por el sistema de propulsión. Su estructura compacta albergaba los equipos electrónicos, el sistema de control de actitud, los depósitos de propelente y la carga útil científica. La energía era suministrada por dos paneles solares de arseniuro de galio de triple unión, capaces de proporcionar la potencia necesaria para alimentar simultáneamente el motor de propulsión y los sistemas de a bordo.

El elemento tecnológico principal de SMART-1 era el propulsor de efecto Hall PPS-1350, desarrollado por Snecma. Este sistema utilizaba xenón como propelente y aceleraba sus iones mediante campos eléctricos para producir un empuje continuo de aproximadamente 70 mN. Aunque esta fuerza era muy inferior a la de un motor químico convencional, su elevado impulso específico permitía modificar gradualmente la órbita de la nave con un consumo muy reducido de propelente, haciendo posible alcanzar la Luna tras más de un año de funcionamiento acumulado del motor.

La carga útil científica tenía una masa aproximada de 19 kg y estaba formada por varios instrumentos complementarios. La cámara AMIE (Advanced Moon micro-Imager Experiment) obtuvo imágenes pancromáticas y multiespectrales destinadas a estudios geológicos, cartográficos y fotométricos. El espectrómetro infrarrojo SIR (SMART-1 Infrared Spectrometer) analizó la composición mineralógica de la superficie mediante observaciones entre 0,94 y 2,4 μm. El espectrómetro de rayos X D-CIXS (Demonstration of a Compact Imaging X-ray Spectrometer), junto con el monitor solar XSM, determinó la composición elemental de la corteza lunar a partir de la fluorescencia inducida por la radiación solar.

La misión incorporó además varios experimentos tecnológicos y de caracterización del entorno espacial. SPEDE investigó el plasma existente alrededor de la nave y su interacción con el viento solar, mientras que KaTE permitió evaluar un sistema de comunicaciones en banda Ka para futuras misiones de espacio profundo. SMART-1 también puso a prueba sistemas de navegación autónoma, baterías modulares de ion-litio y un experimento de comunicaciones ópticas mediante pulsos láser detectados por la cámara AMIE desde observatorios terrestres.

Desarrollo de la misión SMART-1

SMART-1 fue lanzada el 27 de septiembre de 2003 mediante un cohete Ariane 5G desde el Centro Espacial Guayanés de Kourou, en la Guayana Francesa. La sonda viajó como carga secundaria junto con dos satélites de telecomunicaciones y fue situada inicialmente en una órbita de transferencia geoestacionaria. Durante los primeros días se verificó el funcionamiento de los sistemas de a bordo y comenzaron las primeras pruebas del propulsor de efecto Hall.

A diferencia de la mayoría de las misiones lunares, SMART-1 no siguió una trayectoria directa hacia la Luna. El motor permaneció encendido durante miles de horas a lo largo de más de un año, aumentando gradualmente el tamaño de la órbita terrestre mediante una trayectoria en espiral. Durante esta fase la nave realizó numerosos pasos por los cinturones de radiación y varios encuentros resonantes con la Luna, que modificaron progresivamente su trayectoria hasta permitir la captura gravitatoria por el satélite.

SMART-1 entró en órbita alrededor de la Luna el 15 de noviembre de 2004. A partir de ese momento continuó utilizando el propulsor eléctrico para reducir gradualmente el tamaño de su órbita y adaptarla a las necesidades del programa científico. La fase de puesta en servicio de la nave y de los instrumentos se prolongó durante los meses siguientes y las operaciones científicas nominales comenzaron en marzo de 2005.

Durante la misión orbital se realizaron ajustes periódicos de la trayectoria para optimizar las observaciones de distintas regiones de la superficie. El reducido consumo de xenón durante la transferencia permitió disponer de margen suficiente para ampliar la misión más allá de la duración inicialmente prevista. Entre agosto y septiembre de 2005 se llevó a cabo una maniobra de elevación de la órbita con el fin de prolongar la vida útil de la nave y ampliar el programa de observaciones.

Las operaciones científicas continuaron hasta el verano de 2006. Durante los últimos meses se redujo progresivamente la altitud orbital para completar las observaciones de baja altura y preparar el final de la misión. La ESA decidió concluir las operaciones mediante un impacto controlado sobre la superficie lunar, acompañado por una campaña internacional de observación desde telescopios terrestres.

SMART-1 impactó el 3 de septiembre de 2006 a las 05:42 UTC en la región de Lacus Excellentiae, situada al sur de Mare Humorum. El destello producido por el impacto y la nube de material eyectado fueron observados desde varios observatorios, mientras que el lugar del impacto fue identificado posteriormente mediante imágenes obtenidas por la misión Lunar Reconnaissance Orbiter.

Resultados científicos

Composición elemental de la superficie lunar

Uno de los principales objetivos científicos de SMART-1 consistió en determinar la composición elemental de la superficie lunar mediante espectroscopia de fluorescencia de rayos X. Esta técnica aprovecha la radiación emitida por el Sol para excitar los átomos presentes en el regolito, que responden emitiendo rayos X con energías características de cada elemento químico. Dado que la misión coincidió con un periodo próximo al mínimo del ciclo solar, las observaciones de mayor calidad se obtuvieron durante varios episodios de intensa actividad solar registrados en enero de 2005.

Las medidas permitieron identificar emisiones correspondientes a magnesio, aluminio, silicio, calcio y hierro. SMART-1 realizó además la primera detección remota inequívoca de calcio en la superficie lunar mediante esta técnica. Las diferencias observadas entre Mare Crisium y las tierras altas próximas coincidían con la composición conocida a partir de las muestras recogidas por las misiones Apollo y Luna, confirmando la capacidad de la espectroscopia de fluorescencia de rayos X para investigar la composición química de la corteza lunar desde órbita.

Mineralogía de la corteza lunar

La composición mineralógica de la superficie fue estudiada mediante espectroscopia infrarroja en longitudes de onda comprendidas entre 0,94 y 2,4 μm. Las observaciones permitieron diferenciar materiales ricos en piroxenos y olivinos, identificar afloramientos relativamente poco alterados por la meteorización espacial y analizar la distribución de minerales en mares basálticos, tierras altas y grandes cuencas de impacto.

La misión obtuvo millones de espectros infrarrojos sobre regiones como Mare Crisium, Mare Humorum y la cuenca Polo Sur-Aitken. La interpretación de estos datos requirió su calibración y comparación con observaciones previas de la misión Clementine debido a las variaciones térmicas del instrumento durante las operaciones orbitales. Los resultados ampliaron la información disponible sobre la distribución de distintos materiales minerales y la evolución de la corteza lunar.

Cartografía y propiedades físicas del regolito

La cámara AMIE obtuvo más de 20.000 imágenes de la superficie lunar destinadas a estudios geológicos, cartográficos y fotométricos. Las observaciones documentaron cráteres de impacto, depósitos volcánicos, estructuras tectónicas, anomalías magnéticas superficiales como Reiner Gamma y numerosas regiones de interés científico. La misión realizó además observaciones estereoscópicas y multiespectrales que permitieron analizar con mayor detalle distintas unidades geológicas.

Una de las principales aportaciones de estas observaciones fue el estudio fotométrico del regolito. Mediante imágenes obtenidas bajo diferentes condiciones de iluminación fue posible analizar el denominado efecto de oposición, caracterizado por el incremento del brillo de la superficie cuando el Sol se sitúa prácticamente detrás del observador. Los modelos desarrollados a partir de los datos de SMART-1 mostraron que este fenómeno está dominado principalmente por la retrodispersión coherente de la luz entre las partículas del regolito, mientras que el ocultamiento mutuo de sombras desempeña un papel secundario.

Regiones polares y geología lunar

Las regiones polares constituyeron uno de los principales objetivos del programa científico. Las observaciones permitieron cartografiar relieves próximos a ambos polos y estudiar la distribución de zonas iluminadas durante largos periodos, así como delimitar áreas en sombra permanente cuya extensión depende de la baja altura del Sol sobre el horizonte lunar. Estos datos proporcionaron una caracterización más precisa de las condiciones de iluminación existentes en las regiones polares.

SMART-1 también investigó grandes cuencas de impacto como Polo Sur-Aitken, una de las estructuras más antiguas y extensas de la Luna. La combinación de imágenes, espectros infrarrojos y medidas geoquímicas permitió comparar la composición de mares basálticos, tierras altas y materiales excavados por grandes impactos, así como estudiar la distribución de distintas unidades geológicas de la superficie lunar.

Entorno espacial de la Luna

Además de las observaciones de la superficie, SMART-1 estudió el entorno de plasma existente alrededor de la nave durante sus operaciones en órbita lunar. Estas medidas permitieron investigar la interacción entre el viento solar, la superficie lunar y el entorno eléctrico del vehículo espacial, así como caracterizar el comportamiento del plasma en distintas condiciones orbitales.

Las observaciones contribuyeron a mejorar el conocimiento del entorno espacial próximo a la Luna y permitieron evaluar el funcionamiento de varios sistemas de la nave durante una misión prolongada en el espacio profundo. Aunque estas investigaciones tuvieron un alcance más limitado que los estudios geológicos y geoquímicos, completaron el programa científico previsto para la misión.

Cronología de la misión SMART-1

Lanzamiento	27 de septiembre de 2003
Inserción en órbita lunar	15 de noviembre de 2004
Alcance de la órbita científica nominal	15 de marzo de 2005
Impacto controlado y fin de misión	3 de septiembre de 2006

Galería de la misión SMART-1

Referencias y más información:

• Foing, B. H. et al. (2006). SMART-1 mission to the Moon: Status, first results and goals. ScienceDirect
• Racca, G. D. et al. (2002). SMART-1 mission description and development status. Planetary and Space Science.
• Grande, M. et al. (2003). The D-CIXS X-ray mapping spectrometer on SMART-1. Planetary and Space Science.
• Kaydash, V. et al. (2011). Photometric anomalies of the lunar surface studied with SMART-1 AMIE data. Icarus.
• Burchell, M. J. et al. (2015). The SMART-1 lunar impact. Icarus.