Phoenix, un tributo

jueves, 25 de octubre de 2012

Gigantes de la exploración espacial: Stardust

La premisa del programa Mariner Mark II era la de investigar, a un relativo bajo costo, objetos no investigados o poco conocidos del sistema solar. De los tres proyectos adscritos, dos de ellos eran relativos a cometas: uno de ellos (CRAF) sería un orbitador para estudiar sistemáticamente el objeto, mientras que el segundo (CNSR) contemplaba la recolección de muestras cometarias. Recortes presupuestarios cancelaron el programa, salvando, eso sí, la tercera propuesta, una sonda para la investigación en profundidad del sistema de Saturno. Sin embargo, las propuestas cometarias siguieron en las mentes de los científicos, y mientras la ESA se quedó con la propuesta orbital, la idea de la recogida de muestras cometarias estuvo circulando por los despachos de la NASA hasta la aparición del programa Discovery.

Seleccionada en 1995 tras una dura competición con otras propuestas, Stardust tenía como principal objetivo la recolección de muestras de un cometa de manera pasiva. Otros objetivos eran la toma de imágenes de alta resolución del núcleo del cometa, así como la recogida de muestras de polvo interestelar (de un flujo de partículas galácticas que cruza el sistema solar, descubierto por las sondas Ulysses y Galileo) de la misma manera que serían recogidas las del cometa. Para su desarrollo se utilizaron partes de otras sondas, debidamente actualizadas, y también nuevos materiales.

Echando mano de diseños modulares usados para sondas de espacio profundo creados por la empresa Lockheed Martin, la estructura de esta sonda era rectangular, con unas medidas de 1’7 metros de alto, 0’66 metros de ancho y 0.66 de fondo. El bus de Stardust estaba fabricado a base de placas de fibra de grafito, acopladas a una estructura interna construida en aluminio, a base de celdas en forma de panal de abeja para

aligerar la masa máxima del vehículo. Para la estructura exterior fueron colocadas láminas de Kapton y policianato para protección contra las partículas del cometa. Dos paneles solares de tres secciones, colocados a los lados del bus proporcionaban la energía necesaria a una batería de níquel hidrógeno. En la parte delantera de los paneles solares se colocaron dos escudos Whipple como el instalado en Giotto para protección (capaces de proteger la sonda de partículas de hasta un centímetro de diámetro), y un tercero en la sección frontal de la estructura de la sonda, elaborados mediante placas de material compuesto, recubiertas de un material cerámico llamado Nextel (más resistente que el acero y muchísimo más ligero). Estaba estabilizada en sus tres ejes para orientación, complementada con dos sensores solares y dos escáneres estelares, acompañados por dos unidades de medición inercial. Para su propulsión incorporaba 16 propulsores, en dos juegos de 8 para maniobras durante el trayecto. Una antena parabólica de 0.6 metros de diámetro, fija en la parte superior, proporcionaba las comunicaciones durante los eventos principales, unida a un transmisor-receptor de banda-X, idéntico al usado en la sonda Cassini. Tres pequeñas antenas de baja ganancia garantizaban el contacto en las primeras fases de misión tras el lanzamiento o si existían problemas, junto con una antena de media ganancia, para su uso durante el resto del periodo de misión. El ordenador estaba controlado por un procesador RAD6000 (también usado en las sondas marcianas desde 1996 hasta el 2008), derivado de los usados para los ordenadores personales Macintosh, con una memoria RAM de 128 MB, que proporcionaba el control (un 20% utilizado por el software de control de vuelo) y a la vez el almacenamiento de los datos de los experimentos, junto con una pequeña memoria programable de 3 MB para almacenamiento de datos o software para ejecutar operaciones.

Su instrumental estaba formado por cuatro experimentos. El principal era la NC, o Cámara de Navegación. Utilizando el ensamblaje óptico de la cámara de campo ancho de las Voyager, prescindía del tubo Vidicon para así acoplarle una matriz CCD, proveniente de un repuesto de la misión Galileo, mejorada con el detector CCD de repuesto de 1024 x 1024 pixels para las cámaras de la sonda Cassini. Esta cámara realizaba imágenes en blanco y negro (resolución aproximada, 6 metros a 100 km. de distancia) del núcleo del cometa para su estudio. Un filtro de varias posiciones permitía el estudio en falso color y color casi real del núcleo para examinarlo geológicamente, así como para estudiar la cantidad de polvo y gases que emitiría. Su capacidad de tomar imágenes a distintos ángulos (proporcionada por un espejo en una pequeña plataforma móvil) permitía la obtención de instantáneas estereoscópicas. Delante de la abertura de la cámara estaba colocado un periscopio con la tarea de proteger la óptica de la cámara cuando entrara en la coma del cometa, y estaba formado por una serie de espejos fabricados a base de metales altamente pulimentados diseñados para resistir los impactos de los fragmentos de polvo emitidos sin que con ello se resintiera la capacidad de obtener imágenes claras. Este periscopio además proporcionaba una capacidad de aumento para que la cámara adquiriera imágenes de largo alcance para propósitos de navegación hacia su objetivo. En la fase de mínima altitud durante el encuentro cometario el periscopio no resultaba necesario. También disponía del CIDA (Analizador de Polvo

Cometario e Interestelar), instrumento diseñado para detectar y analizar las partículas y sus componentes. Estaba compuesto por un espectrómetro de masa unido a un tubo finalizado en un disco de plata diseñado para recibir los impactos de las moléculas para dirigirlas por ese tubo hacia el espectrómetro. Una vez las partículas llegaban al espectrómetro era capaz de medir la masa de los distintos iones (separadas de las partículas mediante una rejilla electrostática) a base de calcular el tiempo que tardaban en viajar dentro del tubo. Instrumentos similares viajaron a bordo de las sondas Vega soviéticas y de la Giotto europea para sus misiones hacia el cometa Halley. Otro instrumento era el DFMI, también llamado Instrumento de Monitorización del Flujo de Polvo. Montado en los escudos Whipple, eran una serie de sensores acoplados a un plástico polarizado especial que generaban pulsos eléctricos, para así medir el flujo, tamaño y distribución de tamaño de las partículas cometarias que impactaban en el escudo. Por último, el sistema de radio ciencia, aquí llamado Experimento de Ciencia Dinámica (DSE), para realizar mediciones utilizando el sistema de telecomunicaciones para calcular la masa del cometa. Además, utilizando la unidad de medición inercial registraba el impacto de las moléculas mayores contra la estructura de Stardust. Para la recolección de las muestras, echaron mano de nuevas tecnologías. Una cápsula de retorno de muestras (medidas: 81 cm. de diámetro, 50 cm. de alto), montada en la parte trasera de la sonda, equipaba en su interior una raqueta (denominada SSC o Recolector de Muestras de Stardust)

fabricada en aluminio, y con una serie de celdas rellenadas de un material a base de silicio, ultraligero, de ultra baja densidad, microporoso y tremendamente resistente llamado aerogel, capacitado para atrapar las partículas que expulsara el cometa. La raqueta poseía dos caras con una superficie captadora de 1000 centímetros cuadrados por las dos caras, siendo la cara “A” la encargada para obtener las muestras del cometa (grosor del aerogel, 3 cm.), mientras que la cara “B” recibiría las partículas de polvo interestelar (grosor del aerogel, 1 cm.). Una vez la raqueta estaba llena tras el sobrevuelo del cometa, un mecanismo, utilizado para abrir la aerovaina y sacar la raqueta, la volvía a introducir, cerrando herméticamente la cápsula de retorno de muestras, para su posterior retorno a la Tierra, usando una aerovaina, un escudo de reentrada (con un sistema de protección termal a base de un material ablativo especial apropiado para reentradas a alta velocidad), un par de paracaídas y una baliza UHF para su posterior localización una vez tocaba tierra. La inmensa mayoría de componentes de Stardust eran redundantes, por si fallaba el principal, el de reserva se activaba para cumplir su función. El peso en báscula de Stardust antes del lanzamiento era de 385 kg.


Colocada en la punta de un Delta 2-7426, su despegue estaba fijado para el 6 de febrero de 1999. Se produjo un día después a causa de pequeñas dificultades técnicas, colocándole en el espacio. El cometa de destino se llama 81P/Wild 2, un cometa de período orbital largo que, a causa de un paso muy cercano a Júpiter, alteró su órbita lo suficiente como para llevar a este cometa a las cercanías del Sol, por lo que se aprovechó esta rara oportunidad. El objetivo era acercarse al cometa a una velocidad relativamente baja para que el material emitido por la coma del Wild 2 no fuera letal para Stardust.

Durante su largo camino hacia Wild 2 (la recolección de muestras estaba prevista para el 2 de enero del 2004) tenía prevista una pasada cerca de la Tierra, prevista para el 15 de enero del 2001. Para ello tendría que hacer una órbita elíptica alrededor del Sol para regresar y así modificar su órbita

para hacerla coincidir con la del cometa. Eso sí, el 9 de noviembre de 1999, una de las mayores tormentas solares de toda la historia (100.000 veces más intensa que las habituales) afectó de lleno a Stardust. La NC y los escáneres estelares se saturaron de miles de puntos que el ordenador registraba como estrellas, y al perder la orientación correcta, entró en modo seguro para proteger los sistemas. La anomalía fue grave, aunque por suerte a los pocos días la sonda estaba de nuevo en un estado correcto y continuó con su trayecto. El 22 de febrero del 2000, Stardust expuso al ambiente espacial la raqueta del aerogel, para recolectar partículas del ámbito interestelar, y así estuvo hasta el 1 de mayo. Otro problema surgió en la NC, cuando, siendo usada para propósitos de navegación, se encontró que la lente estaba como empañada. Antes del sobrevuelo a la Tierra se decidió empezar a calentar el objetivo por si lo que se había acumulado era algo así como condensación. El sobrevuelo a la Tierra, realizado con éxito (pasó a 6.008 km. de nosotros, y luego a 98.000 km. de la Luna), confirmó que se había obrado bien, y las imágenes mejoraron. Si bien no lo suficiente como para maravillar, eran ya lo suficiente claras para operar con normalidad. Además de comprobar la mejora en la cámara, modificó la trayectoria para acercarla al Wild 2.

El año 2002 fue importante para Stardust. Fue el segundo período en el cual la raqueta estuvo expuesta a las partículas de polvo interestelar, esta vez desde el 5 de agosto al 9 de diciembre de ese año. Antes, obtuvo el record de ser la sonda alimentada por energía solar que había funcionado a mayor distancia de nuestra estrella (ahora lo posee Rosetta, y próximamente Juno). Además, aprovechó la coyuntura para acercarse a un

asteroide. Se trataba del 5535 Annefrank, una pequeña china a la que se acercó a  3.079 km. el 2 de noviembre. Este sobrevuelo fue usado como ensayo general de las operaciones que se realizarían con los sistemas de a bordo (entre ellos el nuevo software para seguimiento autónomo del núcleo, derivado del usado en Deep Space 1), y más importante aún, la cámara. Obtuvo varias imágenes que nos mostraron la forma irregular del objeto, pero poco más.

El momento crucial de la misión llegó el 2 de enero del 2004, cuando Stardust se aproximó a 237 km. de la superficie del Wild 2. La idea original era de haberlo realizado a 150 km, pero una revisión de los protocolos

de seguridad obligó a aumentar la distancia mínima para garantizar la supervivencia de la sonda. Aún así, extrajo la raqueta de la cápsula, y comenzó la recolección de muestras. A la vez, los instrumentos y la cámara empezaron a operar para tomar todos los datos posibles para estudiar al cometa. Las imágenes que tomó la NC evidenciaban un cometa con una superficie llena de agujeros (algunos muy profundos), cráteres, y sobre todo los chorros de material. Una vez todo acabó, la raqueta se guardó dentro de la cápsula de retorno, que se cerró herméticamente, y puso rumbo hacia la Tierra. Entre todos los impactos recibidos por la sonda, al menos 10 de ellos atravesaron la primera capa de protección de los escudos Whipple.

La fecha clave era la vuelta a casa con las muestras, programada para el 16 de enero del 2006. Sin embargo, en el mes de septiembre del 2004, cuando la sonda Genesis, que recolectó partículas que emitió el Sol, nos devolvió su cápsula de retorno, ésta se estrelló contra el suelo, a causa del fallo de los disparadores pirotécnicos del paracaídas, un fallo similar al de la sonda suicida de Galileo. La gente del proyecto Stardust revisó la manera en que fueron instalados los mismos sistemas en la cápsula de su sonda, alarmados por si les sucedería a ellos lo mismo. Con los dedos cruzados, ese mes de enero, Stardust alcanzó la Tierra, y soltó la cápsula a 110.728 km. de distancia, modificando después la trayectoria para evitar la colisión con la atmósfera

terrestre. En cuanto a la maniobra de la cápsula, fue tal y como se proyectó, reentró a la mayor velocidad de reentrada de un objeto fabricado por el hombre, y se posó suavemente en el suelo de las instalaciones del Utah Test and Training Range. Una vez la cápsula tocó tierra, fue trasladada a una base aérea cercana, metida en un avión rumbo a Houston para su transporte a las instalaciones de curación de materiales planetarios del Centro Espacial Johnson para su análisis. Mientras, Stardust fue colocada en órbita solar y fue puesta en hibernación, a la espera de que la encargaran nuevos cometidos. De los 85 kg. de combustible con los que fue cargada antes del lanzamiento, le quedaban en ese momento unos 30.


Una vez abierta la cápsula, en la raqueta se contabilizaban miles de impactos en el aerogel. Varios de los fragmentos eran de unas proporciones decentes, el mayor era de unos 1.000 micrómetros. En uno de los agujeros, se podría hasta meter un dedo meñique. El análisis de las partículas mostró una serie de elementos muy curiosos: se encontraron elementos orgánicos (principalmente glicina), dos de ellos con nitrógeno biológicamente utilizable, muchos tipos de hidrocarburos, silicatos deformados en conjunción con silicatos cristalinos (olivina y piroxeno) como prueba de la mezcla de partículas planetarias e interestelares. Silicatos hidratados y minerales de carbonato no fueron hallados entre las muestras. Entre las muestras del cometa, se detectaron 45 impactos de polvo interestelar. Más recientemente, un estudio en profundidad proporcionó pruebas de que en el cometa había agua, encontrando minerales que se forman en contacto con el agua, aunque en medios ambientes muy cálidos. Entre los minerales hallados, estaba el titanio y el vanadio. Fue una sorpresa gigantesca.

El 4 de julio del año 2005 la sonda Deep Impact se aproximó al cometa 9P/Tempel 1, y lanzó al Impactor para que se estrellara contra él, para crear un cráter que originó una nube de material en el momento de la colisión, que fue estudiado por observatorios orbitales (XMM-Newton, Hubble…) así como por telescopios basados en Tierra (los Keck de Hawaii…). Debido a la nube de material emitida y al destello provocado, Deep Impact fue incapaz de contemplar el cráter originado por el impacto, y la sonda se alejó del cometa, iniciando un nuevo programa de observación. Varios científicos se quedaron con las ganas, y la gente del proyecto Stardust dejó caer la idea de que su sonda podría ser llevada a observar el Tempel 1 para contemplar, en unos años, eso sí, el resultado de tan traumático evento. La propuesta oficial fue presentada a la NASA en marzo del 2006. También existía la posibilidad de construir una sonda específica para ello. Esta segunda opción era más cara, y además, Stardust estaba en un estado fabuloso. Así, el 3 de julio del 2007, la misión Stardust-NExT (Nueva Exploración del Tempel 1) quedó aprobada.

Esta nueva misión estaba diseñada para observar los cambios producidos en el cometa Tempel 1, así como realizar imágenes para cartografiar zonas de la superficie del cometa que no habían sido vistas por Deep Impact. Los objetivos eran en esencia seis: mejorar nuestra comprensión de los procesos que suceden en las superficies cometarias a base de fotografiar el Tempel 1, incrementar la geografía fotografiada de la superficie del cometa, así como los de los flujos planos de material, las zonas activas y las regiones que se sabe que poseen agua helada, caracterizar el cráter provocado por el Impactor de Deep Impact, medir la densidad y distribución de masas de las partículas del Tempel 1, y analizar la composición de las partículas de la coma del cometa, igual que hizo en Wild 2. Eso sí, para llegar al Tempel 1 sería necesario consumir el combustible restante, por lo que tras el sobrevuelo al cometa, inevitablemente llegaría el final de la misión.

Tras varios años de maniobras en el espacio (incluyendo un último sobrevuelo a la Tierra, el 14 de enero del 2009, a 9.100 km. de altitud), Stardust se colocó en la trayectoria para visitar el Tempel 1. Proyectada para el 14 de febrero del 2011, se acercaría a unos 200 km. del cometa, para poder ver
zonas no vistas previamente de la superficie su superficie, y posteriormente, ver la zona modificada por el Impactor. La fecha se cumplió, y pasando a 181 km. de altitud sobre el Tempel 1, tomó 72 imágenes del núcleo, dejando claro que el cráter provocado en el 2005 apenas se distinguía, ya que una franja de material oscuro era lo único que le delataba. Gracias a estas imágenes, se aumentó la cartografía a un 70% de la superficie del Tempel 1. Así, Stardust se alejó, con apenas unas gotas de combustible en su tanque.

Su siguiente actividad fue la última. El 24 de marzo del 2011, el centro de control transmitió la orden: encender los motores para consumir el combustible restante. Esto tenía un doble propósito: finalizar la misión de Stardust, y comprobar la tasa de consumo, asegurando así que la cantidad de combustible cargada en la sonda se había consumido en su totalidad, para, de esta forma, poder diseñar métodos de control de combustible más precisos para un mejor manejo de las naves espaciales. Una vez acabada la tarea, la última orden fue enviada. Era la que apagaba el transmisor. Era el fin de uno de los proyectos más longevos y exitosos de la historia de la NASA.

En total, fueron 12 años, un mes y 18 días de viaje por el sistema solar interior, sobrevolando la Tierra, el asteroide Annefrank, y los cometas Wild 2 y Tempel 1. Nos devolvió muestras del Wild 2, que nos han mostrado que los cometas son aún más complejos que lo supuesto anteriormente. Y desde luego, enseñó a la NASA nuevos métodos de control y navegación para futuras sondas espaciales. Sin duda, una labor ejemplar.

Por cierto, en el futuro tendrá una “heredera”, ya que en el 2016 la sonda OSIRIS-REx, viajará a un asteroide, recogerá muestras y las traerá a casa. Esperemos que su labor sea tan exitosa como la de esta extraordinaria sonda sobre la que hemos hablado.

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