Aventureras del sistema solar: Pioneer 10 y 11

El sistema solar no solo está formado por los planetas terrestres. Más allá del cinturón de asteroides existen cuatro gigantes de gas, que resultan igual de interesantes que sus compañeros sólidos, y si sondas como las Mariner 2, 4 y 5 habían conseguido resultados incomparables, bien se podría intentar hacer algo similar con los planetas exteriores. Esta fue la manera en la que empezó en la NASA el plan para poder enviar sondas más allá de la órbita marciana.  Si al final se decidían a enviar estos vehículos hasta al menos Júpiter, en esencia tendrían que montar instrumentos que no serían más que mejoras respecto a los que montaron las primeras Mariner, para así escudriñar cómo son las condiciones del espacio interplanetario lejos del planeta rojo. Eso sí, existía un pequeño obstáculo: el propio cinturón de asteroides. ¿Sería posible atravesarlo sin recibir daños? Eso era algo que había que demostrarse. Pero si una sonda podía cruzar esa rocosa región, obviamente la puerta para enviar misiones más especializadas estaría abierta de par en par. Así, en febrero de 1969, se ordenó al programa Pioneer la fabricación de dos vehículos gemelos para viajar hacia donde ninguna sonda espacial había ido antes. 

Este programa de sondas espaciales se había iniciado como el primero de la agencia para más allá de la Tierra. Así, las primeras naves viajaron a la Luna para intentar obtener resultados de ella, y sobre todo para intentar adelantar a los soviéticos. No lo consiguieron. Tras las sondas lunares, el Pioneer se dedicó a colocar en el espacio pequeñas sondas en órbita solar con el encargo de estudiar atentamente el medio interplanetario, desde los campos magnéticos solares hasta el viento solar, pasando por el polvo cósmico. La designación para fabricar estos nuevos tipos de sondas fue el regreso del programa a la investigación de los cuerpos del sistema solar. 

Este proyecto tenía en esencia tres objetivos fundamentales: por un lado, aumentar nuestros conocimientos sobre el medio interplanetario, sobre todo más allá de la órbita marciana. En segundo término, estudiaría el cinturón de asteroides tanto desde el punto de vista científico como desde en el de la navegación, para verificar si podía existir algún peligro para los vehículos espaciales. Y por último, y no menos importante, examinaría el entorno alrededor de Júpiter, para saber qué le rodea. Posteriormente, se añadieron otras necesidades. El argumento fue que, ya que las sondas pasarían cerca del hermano mayor del sistema, no estaría de más tener la amabilidad de acercarse todo lo posible para hacer investigaciones sobre el mismo planeta, y si era posible, incluso de sus mayores satélites. 

El diseño de estas sondas corrió a cargo del Centro de Investigación Ames de la NASA (derivaban de las mismas sondas que investigaban el espacio interplanetario), y fueron construidas por la firma TRW. Así, las sondas giraban en torno a un bus hexagonal construido en aluminio que tenía unas dimensiones de 36 centímetros de fondo y 76 de largo, almacenando todos los componentes electrónicos, el tanque de combustible y parte del instrumental. De él salían varios apéndices, dos de ellos para colocar el suministro de energía, un tercero para la colocación de uno de los instrumentos, y otro para la ubicación de uno de los detectores de meteoritos. El ordenador de las sondas estaba dividido en varias secciones, y muchas de las tareas de computación se hacían en Tierra, para enviarlas posteriormente a la nave. Esto obligaba a escribir los comandos, probarlos en Tierra, para luego enviarlos a la sonda para que ella los ejecutara. En total, el ordenador se distribuía entre un par de descodificadores de comandos y una unidad de distribución de comandos, que controlaba las actividades de a bordo. Era capaz de retener hasta 5 comandos, de los 222 posibles que se escribieron para controlar la misión en su totalidad. Se incluyó una unidad de almacenamiento de datos para grabar hasta 6.144 bytes de información por parte de los experimentos de a bordo. Para contactar con Tierra, un par de transceptores redundantes en banda-S se encargaban de codificar la información para su transmisión al centro de control, ya sea a través de una omniantena de baja ganancia, una de media ganancia, o una gran antena parabólica de alta ganancia de 2.75 metros de diámetro. La estabilización se obtenía mediante rotación, a un ratio de 4.8 rpm, y usando tres sensores solares (dos de ellos en la antena principal) y un escáner estelar apuntando a Canopus. Para controlar el ratio de giro de la sonda, se colocaron 12 propulsores, seis principales, y seis redundantes. Un par controlaba el giro, otro se encargaba de los cambios de velocidad, y el último para controlar de actitud. Debido a la gran distancia desde la Tierra a Júpiter, los paneles solares no resultaban prácticos, por lo que estas sondas fueron las primeras de espacio profundo que hicieron uso práctico de los

célebres RTG’s, es decir, los Generadores Termoeléctricos de Radioisótopos. Éstos dispositivos se habían probado con éxito en las estaciones científicas lunares que las misiones tripuladas Apollo situaron en la superficie selenita, y resultaban adecuados para el perfil de misión de las nuevas Pioneer. En total, cada sonda portaba 2 RTG’s SNAP-19, ubicados en dos extensiones de tres mástiles que, una vez desplegados, se separaban 3 metros del bus, para así evitar interferencias con los experimentos, además de estar separados el uno del otro 120º, para así equilibrar la sonda en su giro. En el momento del lanzamiento producían 155 Vatios de electricidad, y como generaban la electricidad proveniente de la desintegración natural de elementos radiactivos, la producción energética caería con el tiempo, ya que se esperaba que una vez en Júpiter éstos generaran 140 Vatios, aunque las sondas necesitaban solo 100

para su funcionamiento. Las sondas Pioneer recibieron 11 experimentos cada una: HVM (Magnetómetro Vectorial de Helio), una célula rellenada con helio y excitada mediante radiofrecuencias y luz infrarroja, colocada al final de un mástil de 6.6 metros, para estudiar los campos magnéticos interplanetarios, el propio de Júpiter para estudiar el interior del planeta, así como observar la interacción magnetosfera joviana-viento solar; Analizador de Plasma Cuadriesférico, compuesto por dos analizadores, uno de alta resolución y otro de media resolución, que observaban directamente el Sol a través de agujeros practicados en la antena principal, dedicado a cartografiar la densidad y energía del viento solar, observar las interacciones de este medio con Júpiter y buscar la frontera dela heliosfera; CPI, Instrumento de Partículas Cargadas, formado por dos telescopios de partículas para mediciones en el espacio interplanetario y dos sistemas de medición (un detector de silicio para detección de iones, un papel de torio para captura de electrones) para estudios de protones y electrones atrapados en la magnetosfera joviana, destinado a identificar los núcleos de los primeros ocho elementos químicos de la Tabla Periódica y a separar los isótopos de deuterio, tritio, helio-3 y helio-4, además de estudiar las partículas en la onda de terminación y en la magnetosfera externa; CRT, Telescopio de Rayos Cósmicos, encargado de analizar la composición de las partículas de los rayos cósmicos (entre el hidrógeno y el silicio) y medir su energía, usando tres telescopios de estado sólido de tres elementos cada uno (para alta, media y baja energía), mientras que en el entorno joviano medía los electrones de alta energía y los protones de baja y alta energía en los cinturones de radiación planetarios; GTT, Telescopio de Tubo Geiger, contenía siete tubos del tipo Geiger-Muller rellenados con gas que generaban señales eléctricas cuando entraban las partículas cargadas, tres colocados en fila formando un telescopio multipropósito, tres en disposición triangular, y el último independiente como detector de electrones de baja energía, preparado para reconocer las intensidades, espectros energéticos y

distribuciones angulares de protones y electrones alrededor de la sonda cerca de los cinturones de radiación jovianos, es decir, caracterizar los cinturones de radiación atrapada cerca de Júpiter; TRD, Detector de Radiación Atrapada, usaba cinco sistemas distintos (dos contadores Cerenkov, un contador omnidireccional, dos detectores gemelos de escintilación de corriente directa) preparado para determinar la naturaleza y medir la intensidad y la distribución angular de la energía de las partículas atrapadas por Júpiter y su densidad alrededor de la sonda; Detector de Meteorides, fabricado para detectar el ratio de impactos de partículas una vez estuvieran en el cinturón de asteroides, mediante 12 placas que contenían en total 234 células de presión (18 por panel), rellenadas de gas de argón (75%) y nitrógeno (25%) y finalizadas por un transductor que calculaba el ratio de expulsión de gas para determinar el tamaño de las partículas, adosadas a la parte trasera de la antena principal; AMD, Detector de Asteroides y Meteoritos, formado por cuatro telescopios (formados por un espejo secundario de 84 milímetros, ópticas acopladas y un tubo fotomultiplicador) incapaces de adquirir imágenes, con los cuales poder observar el espacio en busca de objetos de tamaños desde unos centímetros hasta grandes asteroides a base de medir la luz solar reflejada por ellos para proporcionar datos acerca del número, tamaño, velocidad y dirección; Fotómetro Ultravioleta, elaborado para medir la dispersión de la luz ultravioleta solar en la atmósfera joviana usando dos longitudes de onda para detectar hidrógeno y helio y así analizar la atmósfera joviana y así determinar la cantidad de ambos gases que posee el planeta, detectar y estudiar las auroras jovianas, y durante los viajes de crucero calcular la cantidad de hidrógeno y helio neutral en el espacio interplanetario; IPP, Fotopolarímetro de

Imágenes, usaba un telescopio de 2.5 centímetros de apertura y 8.6 centímetros de longitud focal, móvil 160º en el plano del eje de rotación de la sonda, entregando la luz a un prisma que la desviaba en dos direcciones distintas donde volvían a ser desviados hacia un filtro rojo y un filtro azul, destinado a adquirir las primeras imágenes cercanas de las capas exteriores de atmósfera de Júpiter a base de realizar tiras a medida que la sonda rotaba sobre su eje, para luego juntarlas y así componer imágenes a color, analizar la atmósfera para estudiar las nubes jovianas, averiguar la naturaleza de los gases atmosféricos por encima de la capa principal, otras propiedades atmosféricas, detectar las propiedades superficiales y atmosféricas de los satélites mediante la dispersión de la luz, así como medir el brillo y la polarización de la luz zodiacal para determinar la cantidad y carácter del material sólido interplanetario; IRR, Radiómetro Infrarrojo, compuesto por un telescopio Cassegrain fijo de 7.2 centímetros de apertura que alimentaban detectores de 88 elementos formando dos canales infrarrojos, para medir la energía calorífica neta emitida por el planeta, así como mapas de distribución de temperatura verticales y horizontales y una medición básica del ratio hidrógeno/helio; y el clásico estudio de Radio Ciencia: Experimento de Ocultación en banda-S, para usar la radio señal de la sonda cuando era alterada por la atmósfera joviana, y a partir de ella medir la densidad de electrones en su ionosfera, así como la densidad del ratio de hidrógeno/helio en el nivel de una atmósfera terrestre y la detección y cálculo del amoniaco; Experimento de Mecánica Celeste, preparado para calcular las masas tanto del planeta como de sus satélites, detección de anomalías en el campo gravitatorio joviano y cálculo exacto de las características orbitales tanto de Júpiter como de sus lunas. La segunda sonda incorporaba un duodécimo instrumento: FGM, Magnetómetro de Núcleo Saturado, un sistema formado por dos sensores biaxiales (formando un elemento triaxial) fijado al cuerpo principal de la sonda, con la misión de medir la fuerza y dirección del campo magnético joviano tanto desde larga distancia como desde corta distancia. En configuración de lanzamiento, cada sonda daba un peso en báscula de 260 kg.  La primera sonda en ser lanzada recibió el código interno de Pioneer F, la segunda, Pioneer G. TRW, con piezas de repuesto, elaboró una tercera, nombrada Pioneer H, con la que los científicos esperaban estudiar los polos solares usando la gravedad joviana para salir de la eclíptica. Esta última sonda no cuajó, y acabó como objeto de museo. Las otras dos si despegaron.  

Un objeto diferenciaba a las Pioneer del resto: cada una recibió una placa, elaborada en aluminio, y recubierta de oro anodizado, sobre la que se escribió un mensaje en clave, en el caso de que alguna inteligencia extraterrestre pudiera encontrársela, ya que el plan era que las sondas abandonaran, tarde o temprano, el sistema solar. Los esquemas del mensaje fueron diseñados por Carl Sagan y Frank Drake, y dibujados por Linda Salzman Sagan. En cada placa se representaba lo mismo. A la derecha, en la

parte superior, un par de figuras humanas desnudas representando a un hombre y una mujer, y detrás de ellos unos dibujos representando la nave, en comparación con las figuras humanas. A la izquierda, una serie de 14 líneas partiendo de un único punto, que representa la Tierra, mientras que las líneas representan los púlsares más significativos situados cerca de nuestro planeta, acompañados por una secuencia binaria que representa la frecuencia de los pulsos de cada uno de ellos. En la parte inferior, una representación del sistema solar, para indicar de donde proviene la nave y el lugar a donde se dirigió antes de abandonar nuestra parcela cósmica. Y por último, encima de la representación de los púlsares, también en código binario se explicaba la composición del hidrógeno. Con este mensaje se indicaba el lugar de procedencia, su posición en el espacio, y la forma del ser humano, junto con los conocimientos científicos básicos. Lejos de lo poético que podía resultar, la representación de las figuras humanas desnudas provocó gran indignación en la conservadora sociedad americana, pero eso no impidió que acabaran montadas en las sondas, y enviadas al espacio. Eso sí, los futuros mensajes a bordo de sondas evitarían esos peliagudos temas.  

Un Atlas SLV-3C/Centaur, que incluía una tercera etapa de combustible sólido, lanzó a Pioneer 10 (o Pioneer F) el 3 de marzo de 1972, convirtiéndose en la sonda que abandonaba el sistema Tierra-Luna a la mayor velocidad jamás alcanzada, ya que cruzó la órbita de Selene en 11 horas. Después de adquirir su orientación y su ratio de giro, se puso en marcha y encendió los instrumentos para la fase de crucero. Le esperaba un viaje de 19 meses hacia el hermano mayor del sistema. El mes de junio cruzó la órbita marciana, y el 15 de julio se introdujo en el cinturón de asteroides. Todavía estaba dentro de él cuando su sonda hermana fue lanzada.  

Pioneer 11 (también Pioneer G) fue elevada 13 meses después que la primera, el 6 de abril de 1973, usando también un Atlas SLV-3C/Centaur y una tercera etapa

agregada. Su camino, un mes más corto. Mientras, Pioneer 10 abandonaba el peligro, demostrando que las sondas podían sobrevivir incluso dentro de este entorno tan hostil. Llegado el mes de noviembre, con Júpiter ya lo suficientemente cerca, la sonda comenzó a recolectar imágenes, mejorando así las observaciones que podían hacerse desde telescopios basados en Tierra. Finalmente, el 4 de diciembre la sonda realizó su máximo acercamiento, cruzando a apenas 130.354 km. de las capas altas jovianas, por la zona del ecuador, quedando expuesta a los poderosos cinturones de radiación del planeta, 10.000 veces más potentes que los de la Tierra. Las electrónicas casi se saturaron (el escáner estelar quedó inoperativo, y el HVM falló un año después del acercamiento), pero consiguió sobrevivir, y transmitir imágenes interesantes de formaciones que desde la Tierra eran invisibles. También tuvo tiempo para adquirir imágenes de dos de

las lunas galileanas, Ganímedes y Europa, pero sin poder revelar detalles de sus superficies. Con esto, y el tirón gravitatorio proporcionado por la gravedad del gigantesco planeta, Pioneer 10 se colocó en ruta de escape del sistema solar.  La información proporcionada en diciembre de 1973 permitió reprogramar a Pioneer 11, para así practicar una trayectoria distinta. En aquellos días, el proyecto de las futuras sondas Voyager para visitar tanto Júpiter como Saturno fraguaba, y a la gente de la misión Pioneer se le sugirió que podrían usar la gravedad joviana para hacer una enorme asistencia gravitatoria y así hacer que la sonda pudiera alcanzar el planeta de los anillos, como un reconocimiento previo para tener una base de estudio para las futuras sondas exploradoras. Mientras tanto, Pioneer 10 fue configurada para una misión con destino interestelar.   

El 19 de abril de 1974 Pioneer 11 abandonó el peligroso cinturón de asteroides, y se empezó a centrar en las observaciones y en los cambios de rumbo que realizaría en Júpiter. Como con su sonda hermana, la nave comenzó a captar el planeta en noviembre, y el 2 de diciembre realizó su máxima aproximación,

convirtiéndose, hasta la fecha, en la sonda que más cerca ha pasado de las capas altas de la atmósfera joviana y ha sobrevivido, a una distancia de 43.000 km. sobre el polo sur. Este paso permitió realizar imágenes cercanas de la Gran Mancha Roja, revelando una estructura interna muy compleja y una rotación en el sentido contrario al de las agujas del reloj, y además adquirió las únicas postales que tenemos de los polos jovianos. Otras imágenes de interés nos mostraron el satélite Io, mostrando un color amarillento. También fue capaz de determinar la masa de Calixto, la cuarta luna galileana. Lo más importante fue que este acercamiento tan próximo permitió aprovechar la gravedad planetaria para cambiar su rumbo en casi 180º, colocándose en camino de Saturno. Debido a las posiciones orbitales entre los dos grandes planetas en 1974, Pioneer 11 no podría alcanzar al señor de los anillos hasta el verano de 1979, es decir, un año antes que las Voyager. Por desgracia, el pasar tan cerca del planeta y sus cinturones de radiación provocó que el instrumento AMD quedara completamente inutilizado, de manera que ya no pudo volver a usarlo.   

La misión que se le encargó a la sonda cuando pasara por Saturno era, en esencia, similar a la realizada en Júpiter, en cuanto al estudio del planeta y su magnetosfera, aunque con la presencia de los anillos las tareas se extendían. Principalmente, lo que se quería era averiguar si existían zonas vacías que pudieran ser cruzadas sin riesgo por las sondas futuras, así como extender los estudios de masas y temperaturas a la enigmática luna saturniana, Titán. En algún momento durante el viaje entre los dos gigantes de gas, la pérdida de uno de los grupos propulsores obligaron a incrementar el ratio de rotación de la sonda, fijándolo en 7.8 rpm para estabilización adicional y reducción del gasto de combustible.   

Tras cuatro años y medio de crucero interplanetario, el 1 de septiembre de 1979 Pioneer 11 se encontró con Saturno, y comenzó la fase de exploración. La intención era la de atravesar la División de Cassini, para así verificar que no existía ningún peligro. Sin embargo, los datos de ocultación mostraron que incluso allí había material, demasiado oscuro para verlo ópticamente. Debido a esto, en vez de cruzarlos, pasó por encima de ellos. Pasando cerca de los anillos, se aproximó a un pequeño cuerpo que resultó ser un satélite, hoy conocido como Jano, del que pasó a 2.500 km., y posteriormente sobrevoló Mimas a 103.000 km. de distancia. Las capas altas de la atmósfera saturniana quedaron a 20.930 km. Allí, Pioneer 11 detectó una nueva luna, un nuevo anillo, y estudió la magnetosfera del planeta y sus reacciones al viento solar. Los datos de temperatura tomados a Titán (del cual también adquirió alguna imagen) mostraron que este satélite era sumamente frío, y que no se revelaba ningún rasgo superficial. Debido a la baja resolución de su objetivo, esto no quería decir nada. Después de hacer unas interesantes imágenes durante la fase de partida, la sonda cambió a modo de misión interestelar, como su sonda hermana años antes. Este viaje proporcionó lo necesario para que, un año después, las Voyager pudieran realizar exámenes más precisos y de manera más segura.   

La mayor sorpresa de toda la misión de las Pioneer no fue nada que descubrieron en Júpiter o en Saturno, nada de eso. Esto ocurrió cuando desde sus trayectorias de escape, y mediante el seguimiento de las señales de radio emitidas por las sondas, se descubrió un leve desplazamiento Doppler que era provocado por algo que proporcionaba a las sondas una pequeña pero constante aceleración. Este misterioso fenómeno no pudo recibir otro nombre más que Anomalía de las Pioneer. Después de muchos análisis, en el verano del año pasado al fin se identificó esta causa. Por lo que parece, existe un extraño escape de radiación termal hacia el Sol, que golpeaba la cara externa de las antenas principales de cada sonda, provocando este efecto. Desde entonces las Pioneer siguieron estudiando el medio interplanetario, desde sus dos rumbos distintos.   

Fueron pasando los años, y las sondas todavía seguían enviando algunos resultados. Era ya la década de 1990, y aunque su señal no era más que un susurro, todavía nos contaban cómo era el lugar que les rodeaba. Llegado 1995, Pioneer 11 fue la primera de las dos en enmudecer. El completo agotamiento de sus RTG’s, posiblemente provocados por la exploración saturniana, provocó que nos abandonara para siempre, y el 30 de noviembre de 1995 su misión se declaró cerrada. Su hermana, Pioneer 10 continuó transmitiendo leves signos de telemetría ya entrado el siglo XXI, aunque años antes había sido adelantada por Voyager 1.   El canto de cisne de esta gran sonda exploradora fue el 27 de abril del 2002. Ese día recibimos su última transmisión clara. El siguiente intento de contactar se realizó el 23 de enero del 2003, durante el cual solo se detectó su débil señal, indicativo de que aún continuaba viva, estando a 12 billones de kilómetros de la Tierra. El siguiente intento, el 4 de marzo del 2006, fue el último, ya que no hubo recepción. Se supuso que la combinación entre la gigantesca distancia y el bajísimo nivel de energía de sus generadores impidió contactar con ella. De esta manera, la tarea de Pioneer 10 se dio por concluida.  

Estas dos aventureras fueron diseñadas para funcionar con seguridad durante 21 meses. Al final, la realidad superó ampliamente ese tiempo. Pioneer 11 había funcionado durante 22 años, 5 meses y 25 días, y Pioneer 10 superó ese registro, aguantando así 30 años, 10 meses y 22 días. Gracias a ellas pudimos averiguar varias cosas: el cinturón de asteroides se podía cruzar, el entorno joviano era enormemente radiactivo, y los anillos de Saturno están plagados de partículas, incluso dentro de las divisiones. Ellas nos transmitieron los primeros detalles de los gigantes gaseosos, una tarea que las sondas Voyager ampliaron enormemente. Y además, nos proporcionaron un misterio resuelto solo recientemente, la anomalía de las Pioneer. Impresionante.
  

¿Hacia dónde se dirigen? Fuera, al espacio interestelar. Pioneer 10 actualmente se encuentra en un rumbo mediante el cual, pasados los siglos, podría alcanzar la estrella Aldebarán, en la constelación de Tauro. Pioneer 11, a diferencia de su hermana, mantiene un rumbo similar al que adquirieron las Voyager, y su camino le llevará a pasar cerca de la constelación del Escudo, y cerca del cúmulo estelar M11. Buen viaje, pioneras.