ExoMars Trace Gas Orbiter

Trace Gas Orbiter
Concepção artística da sonda orbitando Marte.
TipoOrbitador
Operador(es)União Europeia ESA
Rússia Roscosmos
Identificação NSSDC2016-017A
Identificação SATCAT41388
Websiteexploration.esa.int
Duração da missãoPlanejada: 7 anos
Decorrida: 9 anos, 8 meses e 24 dias
Propriedades
FabricanteFrança Itália Thales Alenia Space
Massa3,755 kg
Altura3,2 m
Largura2,0 m
Comprimento2,0 m
Potência elétrica2,000 watts
Geração de energiaPainéis solares fotovoltaicos
Massa de carga útilInstrumentos: 113,8 kg
Schiaparelli: 577 kg
Missão
Contratante(s)Rússia GKNPZ Khrounitchev
Data de lançamento14 de março de 2016, 09:31 UTC
Veículo de lançamentoProton-M/Briz-M
Local de lançamentoCazaquistão LC-200/40, Cosmódromo de Baikonur
DestinoMarte
Data de inserção orbital19 de outubro de 2016, 15:24 UTC
Especificações orbitais
Referência orbitalAreocêntrica
Regime orbitalCircular
Excentricidade orbital0
Periastro400 km
Apoastro400 km
Inclinação orbital74º
Período orbital120 minutos (2 horas)
ÉpocaPlanejada
Portal Astronomia

O ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO ou ExoMars Orbiter) é um projeto colaborativo entre a Agência Espacial Europeia (ESA) e a agência espacial russa Roscosmos que enviou um orbitador de pesquisa atmosférica (ciência atmosférica) e o aterrissador de demonstração Schiaparelli para Marte em 2016 como parte do programa ExoMars, liderado pela Europa. Um objetivo principal é obter uma melhor compreensão do metano (CH
4) e de outros gases traço presentes na atmosfera marciana que possam ser evidências de possível atividade biológica.

O Trace Gas Orbiter entregou o aterrissador Schiaparelli em 16 de outubro de 2016, que se chocou contra a superfície devido a uma liberação prematura do paraquedas. O TGO tem orbitado Marte desde outubro de 2016 e realizado observações científicas do planeta desde abril de 2018.

O programa ExoMars continuará com o rover Rosalind Franklin em 2028, que buscará por biomoléculas e bioassinaturas; o TGO operará como o link de comunicação para o aterrissador e o rover, além de fornecer comunicação para outras sondas de superfície de Marte com a Terra.

Espaçonave

Dimensões A plataforma central possui 3,2 × 2 × 2 m
Propulsão Motor principal bipropelente de 424 N, usado para inserção na órbita de Marte e manobras
Energia Painéis solares de 20 m² abrangendo 17,5 m de ponta a ponta, e capazes de girar em um eixo; gera cerca de 2 000 W de energia em Marte
Baterias 2 módulos de baterias de íon-lítio com capacidade total de aproximadamente 5 100 watts-hora para fornecer energia durante os eclipses ao longo da missão principal
Comunicação Antena de alto ganho na banda X de 2,2 m com um mecanismo de apontamento de dois eixos e um amplificador de tubo de ondas progressivas de RF de 65 W para comunicação com a Terra

Dois transceptores na banda UHF modelo Electra com uma única antena helicoidal para comunicação com espaçonaves em Marte

Controle térmico Controle do eixo de guinada da espaçonave para garantir que as três faces que contêm a carga útil científica permaneçam frias
Massa 3 755 kg, massa abastecida do orbitador

4 332 kg, massa abastecida do orbitador mais o aterrissador Schiaparelli

Carga útil 113,8 kg de instrumentos científicos

Instrumentos

Sistema de Imagens Estéreo e em Cores da Superfície (CaSSIS)

Assim como o Mars Reconnaissance Orbiter, o Trace Gas Orbiter é um orbitador híbrido de ciência e telecomunicações. Sua massa de carga útil científica é de cerca de 113,8 kg e consiste em:

O NOMAD e o ACS estão fornecendo a cobertura espectral mais extensa dos processos atmosféricos marcianos até agora. Duas vezes por órbita, no nascer e pôr do sol locais, eles são capazes de observar o Sol brilhando através da atmosfera. A detecção de espécies de traços atmosféricos na ordem de partes por bilhão (ppb) é possível.

Objetivos científicos

O instrumento FREND está mapeando os níveis de hidrogênio a uma profundidade máxima de 1 metro sob a superfície marciana. Os locais onde o hidrogênio é encontrado podem indicar depósitos de gelo de água, que podem ser úteis para futuras missões tripuladas.

Particularmente, a missão está caracterizando a variação espacial e temporal e a localização das fontes de uma ampla lista de gases traço atmosféricos. Se for encontrado metano (CH
4) na presença de propano (C
3H
8) ou etano (C
2H
6), isso seria um forte indicativo de que há processos biológicos envolvidos. No entanto, se o metano for encontrado na presença de gases como o dióxido de enxofre (SO
2), isso seria uma indicação de que o metano é um subproduto de processos geológicos.

Detecção

Visualização de uma pluma de metano encontrada na atmosfera de Marte durante a temporada de verão do hemisfério norte

A natureza da fonte de metano requer medições de um conjunto de gases traço a fim de caracterizar os potenciais processos bioquímicos e geoquímicos em ação. O orbitador possui sensibilidade muito alta a (pelo menos) as seguintes moléculas e os seus isotopômeros: água (H
2O), hidroperoxila (HO
2), dióxido de nitrogênio (NO
2), óxido nitroso (N
2O), metano (CH
4), acetileno (C
2H
2), etileno (C
2H
4), etano (C
2H
6), formaldeído (H
2CO), cianeto de hidrogênio (HCN), sulfeto de hidrogênio (H
2S), sulfeto de carbonila (OCS), dióxido de enxofre (SO
2), cloreto de hidrogênio (HCl), monóxido de carbono (CO) e ozônio (O
3). As sensibilidades de detecção estão em níveis de 100 partes por trilhão, melhoradas para 10 partes por trilhão ou mais pela média dos espectros, que podem ser obtidos a vários espectros por segundo.

Caracterização

Localização

Retransmissão de telecomunicações

Um rádio Electra, neste caso o da sonda MAVEN. Rádios Electra também foram implantados no TGO e em outros ativos de telecomunicações em Marte.

Devido aos desafios de entrada, descida e pouso, os aterrissadores de Marte são altamente restritos em massa, volume e energia. Para missões de pouso, isso impõe restrições severas ao tamanho da antena e à potência de transmissão, o que, por sua vez, reduz bastante a capacidade de comunicação direta com a Terra em comparação com as espaçonaves orbitais. Como exemplo, as capacidades de recepção de dados (downlinks) nos rovers Spirit e Opportunity tinham apenas 1⁄600 da capacidade de downlink do Mars Reconnaissance Orbiter.

A comunicação por retransmissão (relay) aborda esse problema permitindo que as espaçonaves na superfície de Marte se comuniquem usando taxas de dados mais altas em links de curto alcance com orbitadores de Marte próximos, enquanto o orbitador assume a tarefa de se comunicar no link de longa distância de volta para a Terra. Essa estratégia de retransmissão oferece uma variedade de benefícios essenciais para os aterrissadores marcianos: aumento do volume de retorno de dados, redução dos requisitos de energia, redução da massa do sistema de comunicações, aumento das oportunidades de comunicação, comunicações robustas em eventos críticos e auxílio à navegação in situ.

A NASA forneceu um instrumento de navegação e retransmissão de telecomunicações Electra para garantir as comunicações entre as sondas e rovers na superfície de Marte e os controladores na Terra.

O TGO fornecerá retransmissão de telecomunicações para o rover Rosalind Franklin; ele também servirá como um satélite de retransmissão para missões futuras de aterrissadores.

História

Tamanho do TGO (à esquerda) com o Schiaparelli acoplado, comparado com a Mars Express (à direita) e um humano médio
Modelo em escala do TGO exibido durante o Show Aéreo de Paris, em 2015

Investigações com observatórios espaciais e terrestres demonstraram a presença de uma pequena quantidade de metano na atmosfera de Marte, que parece variar com a localização e o tempo. Isso pode indicar a presença de vida microbiana em Marte, ou um processo geoquímico como o vulcanismo ou a atividade hidrotermal.

O desafio de discernir a fonte do metano na atmosfera de Marte impulsionou o planejamento independente pela ESA e pela NASA de um orbitador cada, que carregaria instrumentos para determinar se sua formação tem origem biológica ou geológica, bem como seus produtos de decomposição, como o formaldeído e o metanol.

Origens

O ExoMars Trace Gas Orbiter nasceu da junção da missão principal ExoMars, do Programa Aurora da ESA, com os conceitos do Mars Science Orbiter (MSO) de 2013 e 2016 da NASA. Tornou-se uma proposta colaborativa flexível entre a NASA e a ESA para enviar um novo orbitador-transportador a Marte em 2016, como parte da missão ExoMars liderada pela Europa. Do lado da ExoMars, a ESA autorizou cerca de meio bilhão de euros em 2005 para um rover e uma mini-estação; com o tempo, isso evoluiu para ser entregue por um orbitador em vez de um estágio de cruzeiro.

Tentativa de colaboração com a NASA

O Mars Science Orbiter (MSO) da NASA foi originalmente concebido em 2008 como um esforço inteiramente da NASA, visando um lançamento no final de 2013. Autoridades da NASA e da ESA concordaram em reunir recursos e conhecimento técnico, colaborando para lançar apenas um orbitador. O acordo, chamado de Iniciativa Conjunta de Exploração de Marte (MEJI), foi assinado em julho de 2009 e propunha usar um lançador da família Atlas em vez de um foguete Soyuz, o que alterou significativamente o cenário técnico e financeiro da missão europeia ExoMars.

Como o rover estava originalmente planejado para ser lançado junto com o TGO, um possível acordo exigiria que o rover perdesse peso suficiente para caber a bordo do veículo de lançamento Atlas com o orbitador da NASA. Em vez de reduzir a massa do rover, ela quase dobrou quando a missão foi combinada com outros projetos em um programa de múltiplas espaçonaves dividido em dois lançamentos de foguetes Atlas V: o ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) foi integrado ao projeto, carregando um aterrissador meteorológico planejado para ser lançado em 2016. O orbitador europeu carregaria vários instrumentos originalmente destinados ao MSO da NASA, então a NASA reduziu os objetivos e focou em instrumentos de detecção de gases traço atmosféricos para sua incorporação no ExoMars Trace Gas Orbiter da ESA.

No orçamento do ano fiscal de 2013 que o presidente Barack Obama divulgou em 13 de fevereiro de 2012, a NASA encerrou sua participação na ExoMars devido a cortes orçamentários para pagar os custos excedentes do Telescópio Espacial James Webb. Com o financiamento da NASA para este projeto cancelado, a maioria dos planos da ExoMars teve que ser reestruturada.

Colaboração com a Rússia

Em 15 de março de 2012, o conselho diretor da ESA anunciou que seguiria em frente com seu programa ExoMars em parceria com a agência espacial russa Roscosmos, que planejava contribuir com dois veículos de lançamento pesado Proton e um sistema adicional de entrada, descida e pouso para a missão do rover de 2020.

Sob a proposta de colaboração com a Roscosmos, a missão ExoMars foi dividida em duas partes: a missão do orbitador/aterrissador em março de 2016, que inclui o TGO e um aterrissador estacionário de 2,4 metros de diâmetro construído pela ESA chamado Schiaparelli, e a missão do rover Rosalind Franklin em 2020. Esperava-se que ambas as missões usassem um foguete Proton-M. A missão do rover Rosalind Franklin foi posteriormente adiada e, em 2022, após a invasão russa da Ucrânia, a ESA encerrou sua cooperação no projeto com a Rússia.

Lançamento

Lançamento do foguete Proton com o TGO
Animação da trajetória do TGO
       Sol  ·        Terra  ·        Marte  ·        ExoMars Trace Gas Orbiter
Animação da trajetória do TGO ao redor de Marte
       Marte  ·        ExoMars Trace Gas Orbiter

O Trace Gas Orbiter e o módulo de descida Schiaparelli concluíram os testes e foram integrados a um foguete Proton no Cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão, em meados de janeiro de 2016. O lançamento ocorreu às 09:31 UTC de 14 de março de 2016. Quatro queimas do foguete ocorreram nas 10 horas seguintes antes que o módulo de descida e o orbitador fossem liberados. Um sinal da espaçonave foi recebido às 21:29 UTC daquele dia, confirmando que o lançamento foi bem-sucedido e que a espaçonave estava funcionando corretamente.

Pouco após a separação das sondas, um telescópio terrestre brasileiro registrou pequenos objetos nas proximidades do estágio superior Briz-M, sugerindo que o estágio Briz-M explodiu a alguns quilômetros de distância, sem danificar o orbitador ou o aterrissador. Informando os repórteres em Moscou, o chefe da Roscosmos negou qualquer anomalia e disponibilizou todos os dados do lançamento para inspeção.

Em Marte

O aterrissador Schiaparelli separou-se do orbitador TGO em 16 de outubro de 2016, três dias antes de chegar a Marte, e entrou na atmosfera a 21 000 km/h. O Schiaparelli transmitiu cerca de 600 megabytes de telemetria durante sua tentativa de pouso, antes de se chocar contra a superfície a 540 km/h.

O TGO foi injetado na órbita de Marte em 19 de outubro de 2016 e passou por 11 meses de aerotravagem (março de 2017 a fevereiro de 2018), reduzindo a sua velocidade orbital em 3 600 km/h e a sua órbita de 98 000 por 200 km iniciais para 1 050 por 200 km. Disparos adicionais de propulsores até meados de abril circularizaram a órbita da espaçonave para 400 km, e as atividades científicas completas começaram em 21 de abril de 2018.

Imagem da borda do Planum Australe, a calota de gelo do polo sul de Marte, tirada pela câmera CaSSIS. As camadas de gelo poeirento que compõem os Depósitos em Camadas do Polo Sul estão expostas e visíveis na imagem.

Primeiros resultados

A espaçonave tirou as suas primeiras fotos da superfície de Marte em 15 de abril de 2018. O primeiro ano de operações científicas rendeu uma riqueza de novos dados e descobertas científicas, incluindo: novas observações da composição e estrutura atmosférica, aumento de nuvens de gelo de água durante uma tempestade de poeira global, novas medições da estrutura térmica e densidade atmosférica, estimativas do período do registro climático da camada de gelo do polo sul, confirmação de que processos secos são responsáveis pelas linhas de declive recorrentes na cratera Hale, identificação de uma variedade de processos ativos relacionados ou não a gelo ocorrendo na superfície em cores, e mapas de alta resolução de hidrogênio raso sob a superfície, aumentando as quantidades conhecidas de provável gelo de água enterrado próximo à superfície.

Em abril de 2019, a equipe científica relatou os seus primeiros resultados sobre o metano: o TGO não havia detectado metano algum, mesmo seus dados sendo mais sensíveis do que as concentrações de metano encontradas usando o Curiosity, a Mars Express e observações terrestres. A partir de 2021, nenhum metano havia ainda sido detectado e os cientistas usaram as medições do TGO para estabelecer um novo limite superior para sua possível concentração na atmosfera de Marte (menos de 0,05 ppb e provavelmente menos de 0,02 ppb). Além disso, não foram detectadas plumas localizadas de metano.

2020

Em 2020, os cientistas relataram a primeira detecção de brilho do ar (airglow) verde de oxigênio na atmosfera de Marte. Para isso, usaram o instrumento NOMAD do TGO apontando para a borda de Marte, de forma semelhante às observações análogas do brilho atmosférico da Terra a partir da ISS.

Desde 2020, o TGO vem cooperando com a Mars Express em experimentos mútuos de ocultação de rádio medindo as propriedades físicas da atmosfera de Marte. Uma publicação de um estudo de 2024 na Radio Science marcou o primeiro uso rotineiro dessa técnica em outro planeta e, em junho de 2025, um conjunto abrangente de dados dessas observações foi disponibilizado ao público.

2021

Em fevereiro de 2021, usando dados dos instrumentos ACS e NOMAD do TGO, os cientistas relataram a descoberta de cloreto de hidrogênio (HCl) transitório na atmosfera marciana, a primeira detecção de um gás halogênio em Marte. A distribuição das observações apontou para uma explicação não vulcânica, e os autores propuseram que o HCl se forma quando poeira salgada é levantada para a atmosfera pelo vento durante tempestades de poeira e reage com a água atmosférica para liberar cloro, que por sua vez reage com moléculas contendo hidrogênio.

Na mesma edição da Science Advances, outra equipe usando dados do NOMAD relatou uma variabilidade dramática na proporção de deutério para hidrogênio (D/H) do vapor de água ao longo da altitude em todo o planeta. Essas observações são consistentes com grandes quantidades de água sendo perdidas ao longo do tempo. O TGO também observou vários casos de perda acelerada de água da atmosfera, todos associados a tempestades e mudanças sazonais.

2022

Como o monóxido de carbono estranhamente leve se forma na atmosfera de Marte

Os dados coletados pelo instrumento NOMAD em 2022 ajudaram a explicar a incomum redução de carbono pesado (13C) em rochas estudadas pelo rover Curiosity da NASA, que eram consideradas um potencial biomarcador de vida passada em Marte. Em vez disso, usando as medições do TGO, os cientistas propuseram um mecanismo abiótico, onde o CO2 na atmosfera interage com a luz solar e se separa para formar CO empobrecido em carbono pesado.

2023

Em agosto de 2023, o TGO, bem como a EMM e o MRO, observaram uma tempestade de poeira anômala fora de época no verão do norte perto da cratera Antoniadi, a noroeste de Syrtis Major Planum. As observações dos três orbitadores mostraram que a tempestade desencadeou uma injeção intensa de vapor de água na atmosfera, chegando a 60–80 km de altitude, e subsequente aumento no escape de hidrogênio. Esses resultados, publicados em 2026, mostram que eventos massivos de perda de água podem ser causados por tempestades de poeira locais em qualquer época do ano, não apenas no verão do sul, como se supunha antes.

2024

As sondas Mars Express e TGO examinam a atmosfera de Marte através da ocultação de rádio

Durante as tempestades solares de maio de 2024, a Mars Express e o TGO estavam realizando experimentos de ocultação de rádio e conseguiram medir a resposta da atmosfera marciana à tempestade solar. Os dois orbitadores observaram um aumento dramático nos elétrons em duas camadas distintas da atmosfera, com um aumento de 45% a 110 km acima da superfície e um aumento de 278% a 130 km de altitude.

Em 2024, os cientistas publicaram um conjunto global de dados de potenciais depósitos de cloreto em Marte com base em observações de infravermelho colorido da câmera CaSSIS do TGO. Eles identificaram 965 candidatos a depósitos de cloreto com diâmetros entre 300 e 3 000 metros, que provavelmente se formaram pela evaporação de lagoas rasas de água ou salmoura.

2025

O TGO observa o cometa interestelar
3I/ATLAS em 3 de outubro de 2025
Rastreando redemoinhos de poeira em Marte
Faixas acionadas por um impacto de meteoroide na borda do Apollinaris Mons

Um estudo em larga escala publicado em 2025 na Nature Communications usando imagens globais do MRO e TGO concluiu que as linhas de declive recorrentes se formam sem água líquida em todo Marte. É mais provável que elas se formem quando camadas de poeira fina escorregam em encostas íngremes após serem desencadeadas pela queda de rochas, impactos de meteoroides ou rajadas de vento.

Medições combinadas do Atmospheric Chemistry Suite do TGO e do Mars Climate Sounder do MRO revelaram uma camada sazonal de ozônio em Marte, formada por baixas temperaturas do vórtice polar norte. Essa descoberta foi apresentada em setembro de 2025 em uma reunião conjunta da EPSC com a DPS.

Usando observações do TGO, MRO e Mars Express, os cientistas descreveram repetidas camadas contendo argila de espessura variável ao longo de Oxia Planum, o local de pouso planejado do rover Rosalind Franklin. Essas argilas provavelmente se originaram em outro lugar antes de serem transportadas para a bacia de Oxia por rios correndo das terras altas a noroeste da região. Isso significa que o local de pouso do Rosalind Franklin pode representar uma gama muito maior da história climática antiga de Marte do que se acreditava anteriormente. Esses resultados também foram apresentados na reunião EPSC-DPS de 2025.

Em 19 de setembro de 2025, os cientistas publicaram as imagens de maior resolução da atmosfera acima do limbo de Marte já tiradas, revelando detalhes sobre a borda nebulosa da atmosfera do planeta. Essas imagens, comparadas a uma sobremesa mille-feuille devido às suas muitas camadas finas de gelo (acima de 40 km) e poeira (abaixo de 40 km), foram tiradas em 21 de janeiro de 2024 sobre a Terra Cimmeria pela câmera estéreo CaSSIS do TGO e têm uma resolução espacial de 18 metros por pixel. A ESA anunciou planos para realizar tais observações uma vez por mês durante operações futuras do TGO.

Entre 1 e 7 de outubro de 2025, o TGO observou o cometa interestelar 3I/ATLAS usando seu instrumento CaSSIS. Durante sua maior aproximação a Marte em 3 de outubro, o cometa estava a 30 milhões de km de distância. Essas observações foram usadas posteriormente pelo Near-Earth Object Coordination Centre da ESA para prever a trajetória do cometa, resultando em um aumento de dez vezes na precisão. Esta foi a primeira vez que dados astrométricos de uma espaçonave em outro planeta foram aceitos no banco de dados do Minor Planet Center.

Em outubro de 2025, os cientistas publicaram um catálogo de 1 039 redemoinhos de poeira marcianos observados pelo TGO e pela Mars Express durante as últimas duas décadas. Suas análises mostram velocidades do vento próximas à superfície de até 44 m/s, mais rápidas do que o já observado por sondas de superfície.

Um estudo publicado na Nature Communications em novembro de 2025 associou mais de 2 milhões de faixas escuras em declives observadas em Marte entre 2006 e 2024 pelo MRO a seus possíveis causadores e concluiu que a maioria é provocada por mudanças sazonais na entrega de poeira e no estresse do vento. No entanto, o estudo também identificou casos raros em que a formação das faixas foi causada por impactos de meteoroides. Um desses casos foi documentado pelo instrumento CaSSIS do TGO no final de 2023, na borda do Apollinaris Mons. O estudo também concluiu que a melhor condição para a formação sazonal de faixas escuras ocorre logo após o nascer do sol e logo antes do pôr do sol, o que explica a falta de observações diretas desses eventos até agora. O TGO está entre os poucos orbitadores capazes de obter imagens do nascer e pôr do sol, e as tentativas de capturar os eventos estão em andamento.

2026

Pesquisadores da Universidade de Berna usaram observações do CaSSIS do TGO, bem como do MRO, para mapear os canais de drenagem em um promontório no sudeste do Coprates Chasma, incluindo três depósitos de escarpas interpretados como deltas de rios. Isso permitiu-lhes determinar o nível do mar do oceano global em Marte entre o final do Hesperiano e o início do Amazoniano, correspondendo a um oceano pelo menos do tamanho do Oceano Ártico da Terra. Os resultados foram publicados na revista npj Space Exploration em janeiro de 2026.

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