Desarrollo de futuras plataformas de experimentos espaciales para astrobiología y astroquímica

Publicado originalmente por Thamarasee Jeewandara, Phys.org, el 29 de junio de 2023

Plataformas espaciales para la investigación en astrobiología y astroquímica. Los experimentos en el espacio requieren plataformas adecuadas para proporcionar niveles de radiación y microgravedad tolerables. La ubicación de la plataforma dicta la duración de la misión, la exposición a la radiación, el potencial de retorno de muestras y la necesidad de mediciones in situ. A medida que aumenta la distancia de la Tierra, podemos encontrar diferentes entornos de radiación que suponen un mayor desafío en lo que a la toma de muestras se refiere. Crédito: npj Microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00292-1

Aunque técnicamente desafiantes, los experimentos espaciales son un aspecto científicamente importante de las investigaciones en astrobiología y astroquímica. La estación espacial internacional (ISS) ofrece un excelente ejemplo de una plataforma de investigación en órbita terrestre a largo plazo, habiéndose progresado con éxito en la realización de experimentos en el espacio, lo que ha contribuido a una gran cantidad de datos científicos en las últimas décadas. Las futuras plataformas espaciales presentan oportunidades adicionales para experimentos en astrobiología y astroquímica.

En un nuevo informe, ahora publicado en npj Microgravity, Andreas Elsaesser y un equipo de científicos internacionales e interdisciplinarios en física, biología y astrobiología, el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Centro Aeroespacial Alemán, examinaron algunos temas clave. Entre estos análisis se incluyeron asuntos de gran interés para la comunidad de Astrobiología y Astroquímica del Equipo Temático de la Agencia Espacial Europea (ESA), resumidos en el libro blanco "ESA Scispace Science Community".

Los investigadores hicieron hincapié en las recomendaciones para desarrollar e implementar experimentos futuros y llenaron algunas lagunas, respecto al conocimiento y los conceptos científicos avanzados, para futuras plataformas espaciales actualmente en desarrollo. Además de la ISS, las plataformas de investigación también incluyen CubeSats, SmallSats y Lunar Orbital Gateway. Este trabajo destacaba los experimentos realizados in situ en la Luna y Marte para apoyar en la búsqueda de exoplanetas y de biofirmas extraterrestres, dentro y fuera del sistema solar.

Los fundamentos de la exploración espacial

Aproximadamente dos décadas de experimentos en la Estación Espacial Internacional han proporcionado a los investigadores conocimientos evolutivos para establecer un impacto duradero en las ciencias de la vida. Los campos de la astrobiología y la astroquímica son fundamentales para explorar el origen de la vida en la Tierra y comprender la presencia de vida dentro de este universo, mientras exploran y colonizan planetas extraterrestres. Aunque las instalaciones en el laboratorio pueden simular entornos espaciales, es un desafío replicar fielmente dichos entornos en tierra. La ISS y otros satélites proporcionan una excelente plataforma para llevar a cabo experimentos de irradiación más allá de la atmósfera de la Tierra. El sistema de navegación de la plataforma se apoya en algoritmos de aprendizaje automático e inteligencia artificial para la reparación sobre la marcha del hardware.

 

Como se identificó en el Libro Blanco de la Comunidad Científica SciSpacE de la ESA 2021 (esamultimedia.esa.int/docs/HRE/10_Biology_Astrobiology.pdf), los temas clave de astrobiología y astroquímica son A) comprender los orígenes de la vida, B) comprender la habitabilidad de la vida y C) comprender los signos de la vida. Crédito: npj Microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00292-1

La comunidad científica de astrobiología y astroquímica en Europa desarrolló una hoja de ruta científica actualizada en 2020 para su uso en plataformas espaciales actuales y futuras. Para identificar el mejor uso de las plataformas espaciales, exploraron varios objetivos científicos principales para resaltar la interdisciplinariedad de este campo. Los temas preliminares incluyeron:

    (A) Comprender los orígenes de la vida

    (B) Explorar la habitabilidad de los límites de la vida, y

    (C) Comprender las señales de la vida

Los orígenes de la vida

Elsaesser y sus colegas discutieron los orígenes de la vida en la Tierra en el contexto de un análisis exhaustivo para comprender nuestra búsqueda de vida más allá de este planeta. El medio ambiente de la Tierra mantiene un líquido superficial estable, actualmente exclusivo del sistema solar, aunque este no fue siempre el caso. Durante el origen de la vida en la Tierra, el ambiente era probablemente similar a los primeros planetas rocosos como Marte y Venus. El agua líquida subterránea también está presente en las lunas heladas de Europa de Júpiter y Encelado de Saturno, asemejándose a lagos antárticos subglaciales de la Tierra, lo que los convierte en candidatos excelentes para la búsqueda de vida.

También se sabe que gran parte de la materia orgánica del medio ambiente de la Tierra se originó a partir de meteoritos y micrometeoritos que surgieron de asteroides y cometas carbonosos , allanando vías de investigación para explorar el viaje de tales objetos antes de que llegaran a la Tierra. El equipo destacó el origen de la vida en relación con la abiogénesis, la transición de una fase puramente química a una fase prebiótica molecular para llegar a un sistema replicativo vivo.

Océano global en la luna Encelado de Saturno. Ilustración del interior de la luna de Saturno Encelado, que muestra un océano global de agua líquida entre su núcleo rocoso y su corteza helada. El grosor de las capas que se muestra aquí no es a escala. Créditos: NASA/JPL-Caltech

Los signos y límites de la vida

El equipo exploró más a fondo la habitabilidad y los límites de la vida para adaptarse a un entorno extremo e improbable en la Tierra primitiva. Exploraron los signos de biofirmas de vida dentro y fuera de este sistema solar, centrándose en células, moléculas bioquímicas y estructuras biomediadas. Exploraron las transformaciones ambientales, enfatizando las misiones que consiguieron regresar y que buscaban pruebas de vida de especies extraterrestres. Diseñaron métodos para explorar más allá del sistema solar y simular posibles condiciones exoplanetarias para decodificar firmas espectrales que ayuden a comprender e interpretar su formación y evolución.

Este trabajo exploró temas que apoyan la búsqueda de vida existente, al tiempo que identificó la presencia de moléculas clave como aminoácidos, lípidos y carbohidratos, así como componentes específicos de organismos de la Tierra, como esteroles, quinonas y porfirinas.

Experimentos en el espacio

Elsaesser y el equipo mostraron cómo el espacio proporciona un entorno único para realizar experimentos de astrobiología y astroquímica. Las exploraciones planificadas pueden apoyar la búsqueda de signos de vida en cuerpos extraterrestres como Marte, al descubrir procesos de biomineralización y fosilización a través de diversos experimentos terrestres. La distancia y la duración de las plataformas satélite, respecto a la Tierra, apoyaron estas vías al garantizar que las muestras se correlacionaran con el tipo y la cantidad de radiación y exposición a la microgravedad, para lograr recuperar la muestra con éxito. El equipo también observó cómo ciertas órbitas bajas de la Tierra o experimentos en la Luna y Marte permitieron el acceso a flujos más altos de fotones de alta energía, rayos cósmicos y energía solar en comparación con el entorno terrestre.

Examinaron el marco de tiempo óptimo de una misión para evaluar la productividad de los experimentos. Para obtener los mejores resultados, se requiere que la vida útil de los satélites espaciales dure décadas. Sin embargo, SmallSats y CubeSats actualmente están desafiando esta suposición, calificando estos experimentos como de exposición a corto plazo. Parece que miniaturizar la tecnología existente puede conducir a obtener un mayor éxito en las misiones.

La imagen de la izquierda muestra una región de la corteza de Europa formada por bloques que se cree que se resquebrajaron y se “recolocaron” en nuevas posiciones. Estas imágenes fueron obtenidas por la nave espacial Galileo de la NASA en 1996 y 1997 a una distancia de 417,489 millas (677,000 kilómetros). Crédito: NASA / JPL / Universidad de Arizona

Conceptos básicos y estrategias experimentales

Los investigadores exploraron más a fondo el modo de operación de los satélites espaciales, con un enfoque principal en los experimentos de recuperación de muestras, y el potencial para realizar análisis de muestras con PCR cuantitativa, secuenciación de alto rendimiento y técnicas microscópicas subcelulares.

La ISS sigue siendo una plataforma de exposición fundamental para experimentos a largo y corto plazo, con capacidad de retorno de las muestras. El equipo también discutió las posibilidades de reutilizar plataformas adicionales para albergar múltiples experimentos.

Perspectiva

Estos son tiempos emocionantes para la exploración y las ciencias espaciales, con niveles sin precedentes de misiones programadas y en curso, para lograr poner en marcha plataformas de exposición espacial. Andreas Elsaesser y sus colegas discutieron las posibilidades de realizar experimentos científicos complejos mediante el uso de inteligencia artificial, aprendizaje automático y herramientas robóticas para hacer y responder preguntas clave en los campos de la astrobiología y la astroquímica.

El trabajo tiene como objetivo explorar el origen de la vida y las biofirmas tanto en el entorno de la Tierra, como más allá de la Tierra, a nivel interplanetario, y dentro del sistema solar,  dentro del campo de la ciencia exoplanetaria, en rápida expansión.

Más información: Andreas Elsaesser et al, Future space experiment platforms for astrobiology and astrochemistry research, npj Microgravity (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00292-1

Alexandra Witze, La ciencia de la estación espacial aumenta, Nature (2014). DOI: 10.1038/510196a

Información de la revista: Nature

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