Ventana al Espacio (LXXXVII)

El Quinteto de Stephan, desde XMM-Newton y Herschel

Las próximas misiones a los asteroides: OSIRIS-REx

De entre los fósiles que existen en el sistema solar que nos pueden proporcionar pistas sobre la creación de los planetas terrestres, posiblemente los asteroides son los que podrían decirnos más. Además de los cometas, varios satélites de planetas exteriores, e incluso el Sol, estos cuerpos celestes, debido a que han permanecido inalterados desde los tiempos primitivos, son los más prometedores. Sin duda, los datos que las sondas espaciales puedan proporcionar de ellos resultan muy valiosos para los científicos, pero es muy distinto observar muestras con instrumentos remotos montados en vehículos costosos y complejos, que hacerlo tú mismo usando un simple microscopio. De ahí, que la NASA tenga a punto una misión con el encargo principal de recoger un pedazo de asteroide para su posterior análisis en los laboratorios de todo el mundo.

Desde que empezamos por fin a estudiar los asteroides con los ojos de los artefactos espaciales, hemos visitado hasta 12 objetos de este tipo. Fragmentos diminutos como Itokawa, enormes rocas como Ceres, todos nos han resultado ciertamente interesantes, y han contribuido a conseguir más o menos una cierta cronología de cómo se formó el sistema solar. Hasta la fecha, solo ha habido tres misiones cuyo objetivo principal eran estos cuerpos: NEAR-Shoemaker a Eros, Hayabusa a Itokawa, y Dawn a Vesta y Ceres. Solo la japonesa tenía el cometido principal de coger polvo de la superficie de su destino para su posterior retorno a la Tierra, algo conseguido en junio del 2011. Ahora, bajo el paraguas del programa New Frontiers, la NASA ha preparado una misión de filosofía idéntica a Hayabusa, un tanto más compleja, para en esencia responder las mismas preguntas.

Elegida en el verano del año 2011, se podría decir que OSIRIS-REx es una misión que ha tenido largo recorrido. El primer concepto apareció en el año 2004 para su entrega al programa Discovery, y llegó a la final en la que fue elegida la misión lunar GRAIL. Después que la NASA indicara una misión de recogida de muestras asteroidal como prioritaria, la formulación de la misión para su aceptación para el programa New Frontiers comenzó en el 2009 para su posterior entrega, y final selección. Como misión del programa New Frontiers, OSIRIS-REx dispone de abundante presupuesto para solucionar las complejidades técnicas provocadas por el perfil de misión, sin embargo, también en ella se ha fomentado el ahorro de costes, a base de usar tanto hardware como software completamente probados en el espacio, utilizando elementos que son herencia de tres proyectos distintos.

El objetivo de OSIRIS-REx (acrónimo de Explorador de Orígenes, Interpretación Espectral, Identificación de Recursos, Seguridad y Regolito) es el de viajar a un asteroide de la familia de los NEO’s, los asteroides cercanos a la Tierra (es decir, de la misma familia que Eros), principalmente porque su acceso es sencillo, reduce los riesgos de la misión y podría darnos los primeros detalles de los recursos que pueden existir en buena parte de estos trozos de roca que orbitan en torno al Sol. Una vez en torno a su destino, lo estudiará con sus aparatos de a bordo para tratar de averiguar qué materiales lo conforman, cómo se formó, sus movimientos en el espacio, y el posible peligro que pueda suponer para la Tierra. En esencia estos son los objetivos de esta misión, la segunda de espacio profundo administrada y dirigida por el Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, después de la exitosa marciana Phoenix.

OSIRIS-REx es la cuarta sonda de la familia de vehículos espaciales estrenada por la marciana Mars Reconnaissance Orbiter. Debido a esto, muchos de los componentes de la sonda son basados en el veterano orbitador lanzado en el 2005. La estructura está elaborada en aluminio y compuestos de grafito, poseyendo un gran cilindro central como soporte primario, del que nacen los soportes verticales en forma de X, soportando dos plataformas, en este caso la superior para el propulsor principal y la inferior para el equipamiento científico. La estructura resulta más ancha que en MRO o MAVEN, resultando en un rectángulo de 2.4 x 2.4 x 3.2 metros. El ordenador de a bordo se estructura en torno al ya tradicional procesador RAD750, con una memoria RAM de 256 MB, más el almacenamiento para los datos de los instrumentos. Está estabilizada en sus tres ejes, usando los elementos de costumbre, es decir, dos unidades 

de medición inercial, dos escáneres estelares y un grupo de sensores solares digitales. La energía proviene de dos grandes paneles solares que, una vez desplegados, proporcionan una envergadura de 6.2 metros, totalizando una superficie activa de 8.5 metros cuadrados, alimentando los sistemas de a bordo y almacenándola en dos baterías de ión litio. Las comunicaciones se gestionan a través de un transpondedor de banda-X, conectado a una antena de alta ganancia de 2 metros de diámetro (situada en el lateral de la sonda que soporta los dos paneles solares), una antena de media ganancia colocada al lado del propulsor principal, y dos de baja ganancia acopladas en las plataformas superior e inferior. La propulsión es química, equipando tres grupos. El más potente es el sistema principal, formado por cuatro propulsores derivados de los usados por MAVEN, con la misión de colocar en órbita la sonda en torno a su destino y posteriormente sacarla de allí. Dispone de uno intermedio para las maniobras de corrección de rumbo, mientras que el menos potente controla la actitud del vehículo. Un tanque de combustible, situado dentro del núcleo central de la estructura, tiene capacidad para almacenar 1.700 kg. El control de la temperatura usa los elementos de costumbre: radiadores, mantas multicapa y calentadores eléctricos. En total, son seis los experimentos científicos, desarrollados a partir de la experiencia ganada con NEAR-Shoemaker. OCAMS, Juego de Cámaras de OSIRIS-REx, conjuga tres tipos distintos de objetivos, cada uno con su propio uso. 

POLYCAM es un telescopio reflector Ritchey-Chretien de 20.3 centímetros de apertura y una longitud focal de 63.5 cm. (f/3.15) que será la cámara principal durante toda la misión. Está preparada para la adquisición de imágenes de largo alcance, apropiadas para gestionar la navegación de la sonda, y en especial para la fase de aproximación a su objetivo. Una vez en torno al asteroide, servirá como cámara de campo ancho para tomar secuencias del objeto entero en alta resolución (1 metro). Además incorpora un dispositivo de enfoque (empleando un elemento óptico móvil frente al detector) que transforma el telescopio en microscopio, que permite observar pequeños objetos en primer plano. MAPCAM ha sido diseñada para realizar, como su nombre indica, los mapas del asteroide en media resolución y cuatro colores (azul, verde, rojo e infrarrojo cercano) empleando un telescopio 

refractor de cinco elementos, con una longitud focal de 125 mm. (f/3.3)  y una rueda de filtros de igual número de posiciones, además de caracterizar las regiones candidatas para la recolección de muestras. SAMCAM es un objetivo milimétrico con el encargo de realizar primeros planos durante la adquisición de muestras con una cadencia casi idéntica a la de una cámara de vídeo, y para caracterizar el regolito y las rocas que puedan existir en la superficie. también será usado para tomar imágenes de campo ancho del asteroide, generando mapas de baja resolución. Dispone de un sistema refractor con una longitud focal de 28 mm. (f/5.5), y posee una rueda de filtros de tres posiciones con filtros idénticos, de manera que si uno acaba bloqueado por el regolito, se cambia al siguiente, mientras que la cuarta posición está ocupada por un elemento óptico que cambia el enfoque, lo que le permitirá examinar la cabeza de muestras antes de ser almacenada. las tres cámaras emplean sensores idénticos tipo CCD, de 1024 x 1024 pixels. OLA, Altímetro Láser de OSIRIS-REx, se basa en instrumentos similares montados en sondas como NEAR-Shoemaker, Mars Global Surveyor, MESSENGER o Lunar Reconnaissance Orbiter. Es un instrumento tipo LIDAR y tiene la misión de realizar 

un completo mapa topográfico del asteroide, a la vez que será usado para caracterizar las zonas candidatas para el muestreo. Además, posee un aparato que apunta el emisor láser a distintos puntos de la superficie asteroidal sin necesidad de cambiar la actitud de la sonda, permitiendo la construcción de imágenes en 3D del área escaneada. Durante la fase de aproximación, servirá como medidor de distancia entre la sonda y el asteroide para saber la posición exacta con respecto a su destino. Lo novedoso es que dispone de dos transmisores láser, uno de alta energía para distancias superiores a un kilómetro, y uno de baja energía para distancias inferiores al kilómetro y medio. OVIRS, Espectrómetro de Visible e Infrarrojo de OSIRIS-REx, es un versátil instrumento (derivado del canal LEISA del sistema Ralph a bordo de la sonda New Horizons) que tiene el encargo de realizar un mapa global de minerales y elementos orgánicos con una resolución aproximada de 20 metros entre una longitud de onda de entre 0.4 a 4.3 micrones en el infrarrojo cercano, a la vez que recolecta información mineralógica de las zonas candidatas para la recolección de 

muestras (resolución menor a 2 metros). Para ello dispone de un sensor de 512 x 512 píxels, y sobre él los distintos filtros espectrales en configuración lineal variable, es decir, una lámina del mismo tamaño que el sensor pero con los filtros situados en columna, al estilo del sensor infrarrojo THEMIS de Mars Odyssey. OTES, Espectrómetro de Emisión Termal de OSIRIS-REx, es un aparato que trabaja allí donde OVIRS no puede, para completar la cartografía global mineralógica del objetivo (resolución, 40 metros) entre los 5 y los 50 micrones, mientras detecta la emisión termal de la superficie, y caracteriza, al igual que los otros instrumentos, las zonas candidatas para la recolección de muestras (resolución, 4 metros). Este sistema utiliza componentes ya bien probados en misiones anteriores, siendo el sensor una réplica del Mini-TES que 

portaron los rover marcianos Spirit y Opportunity, mientras que la óptica es idéntica a la fabricada para los TES de las Mars Observer y Mars Global Surveyor. Se trata de un espectrómetro de transformación Fourier sumamente compacto centrado en un interferómetro tipo Michelson y acabado en un conjunto sensor no refrigerado. Sirviendo al sistema dispone de un telescopio tipo Ritchey-Chretien f/3.91 con una apertura de 15.2 cm., y respecto a los sistemas de los que deriva, la única diferencia es el divisor de haz. Mientras el usado en los MER estaba fabricado en bromuro de potasio, OTES dispone de uno elaborado en diamante depositado por vapor químico. El sistema de telecomunicaciones de la sonda se podrá usar para determinar la distribución de masas, la gravedad y los movimientos concretos del asteroide. Y como último añadido, REXIS, Espectrómetro de Imágenes de Rayos X para el Regolito, es un aparato en dos partes: el propio espectrómetro y el Monitor

de rayos X Solares (SXM). El espectrómetro está formado por dos partes principales, la máscara de apertura codificada (como las que se usan en varios observatorios espaciales) elaborada a base de acero inoxidable de 100 micrones de grosor, y un conjunto de cuatro sensores CCD (idénticos a los usados en el sistema XIS del observatorio japonés Suzaku), refrigerados a -60º C, y protegidos de otras radiaciones con un filtro de bloqueo óptico, una capa de 220 nm de aluminio, con una separación, o longitud focal, de 20 cm. Todo el aparato está protegido del bombardeo de partículas que puedan penetrar por la apertura mediante una tapa de aluminio. Por su parte, el SXM, situado junto a la antena de alta ganancia, observará continuamente al Sol para informar al espectrómetro de cuántos rayos X agreden el asteroide, empleando un sensor de deriva de silicio, protegido de la luz solar directa por una pequeña ventana de berilio. Se encargará de realizar mapas químicos globales (4.3 metros desde 700 metros) y locales del asteroide a base de detectar la energía de los rayos X emitida o reflejada por los elementos que forman la superficie, pudiendo detectar magnesio, hierro, azufre o silicio. Este aparato tiene la particularidad de ser un proyecto realizado por estudiantes universitarios, convirtiéndose en el segundo de su tipo en volar en una sonda espacial, tras el VBSDC montado en New Horizons. La recolección de muestras será el propósito de TAGSAM, Mecanismo de Adquisición de Muestras de Contacto y Separación. Se basa en parte en el sistema elaborado para la cometaria Stardust, y dispone de cuatro elementos: un brazo

articulado de 3.2 metros, la cabeza de muestras, un suministro de gas de nitrógeno, y la cápsula de retorno de muestras. El brazo dispone de dos secciones de 1.6 metros, recogidas en el lateral opuesto al de la antena principal, y en el final tiene colocada la cabeza de muestras, un pequeño disco (que estará dentro de una pequeña caja durante el viaje de crucero hacia el asteroide) que en su interior posee tres contenedores que podrían almacenar desde 60 gramos hasta dos kilogramos de regolito, con un tamaño igual o inferior a dos centímetros. El suministro de nitrógeno, situado alrededor del brazo articulado, será usado para aspirar las partículas del regolito hacia los contenedores de la cabeza de

muestras. Y la cápsula de retorno de muestras es similar a la que se diseñó para Stardust, en la que las muestras del asteroide serán entregadas a los expertos en Tierra. La cápsula está montada en la plataforma de equipamiento, sobre unos dispositivos pirotécnicos preparados para soltarla en el momento preciso y provocar una rotación para estabilizarla durante la reentrada, descendiendo después usando dos paracaídas. Como apoyo a las operaciones del sistema TAGSAM, se decidió casi a última hora un sistema de cámaras, denominado TAGCAMS. Está formado por tres cámaras y un sistema de control centralizado. todo el conjunto ha sido elaborado por la firma Malin Space Science Systems, especialista en este tipo de encargos, que ya ha elevado diversos sistemas de imágenes al espacio en sondas de la NASA, principalmente a Marte. Como hemos dicho, son tres cámaras, que utilizan la arquitectura modular desarrollada por la compañía, de ahí la 

rapidez en su elaboración. Dos de ellas se denominan NavCams. Situadas en un lateral de la plataforma de instrumentos, se trata de sistemas gemelos que están basados en la arquitectura de cámaras ECAM-M50, que son cámaras monocromáticas equipadas con sensores CMOS de 2592 x 1944 pixels, y portando ópticas ECAM-MFOV, es decir, de campo de visión medio, un sistema refractor con una longitud focal de 7.1 mm. (f/3.5). Su misión será la de ayudar a la navegación durante el descenso hasta la superficie para la operación de recogida de muestras. la tercera cámara se denomina StowCam, y se sitúa sobre un pequeño pedestal permitiendo a la cámara, situada de lado, apuntar a la cápsula de retorno de muestras. su misión será la de verificar la correcta colocación de la cabeza de muestras dentro de la cápsula y (suponemos) del lanzamiento de la misma en el momento de la entrega. en general es idéntica a las NavCams, salvo que usará la arquitectura ECAM-C50, de dimensiones idénticas de sensor CMOS, pero equipada con un filtro Bayer para tomar imágenes a color. Las tres cámaras están controladas por un sistema de control propio llamado DVR8, o Video Grabador Digital de Ocho puertos. Éste es una suerte de ordenador con dos tarjetas capaz de soportar hasta ocho cámaras, aunque en esta ocasión una soportará una de las NavCams y la StowCam, mientras que la otra controlará la cámara restante. el sistema es capaz de secuenciar comandos, procesar las imágenes, comprimirlas y almacenarlas, y no solo eso, sino que es también capaz de juntar las imágenes para crear vídeos de las secuencias grabadas, tanto del descenso a la superficie como del almacenamiento de las muestras en la cápsula. En el momento del lanzamiento dará un peso en báscula de 2110 kg.

El destino de OSIRIS-REx se llama (101955) Bennu, anteriormente conocido como 1999 RQ36, una “china” de unos 550 metros de diámetro. Mediante telescopios basados en Tierra y en el espacio, se ha averiguado que es un asteroide tipo C, también llamado condrita carbonácea, debido a su oscuro color. Es un asteroide NEO, y pasa tan cerca de la Tierra que existe una posibilidad de 1 entre 1800 de que colisione con nuestro planeta en el año 2182. Una vez en torno a Bennu, tiene previstos cinco objetivos: recolectar una muestra del regolito del asteroide para entregarla en la Tierra para su estudio (analizando su naturaleza, su historia y la distribución de los elementos mineralógicos y orgánicos que le dan forma); cartografiar las propiedades globales, la química y la mineralogía para caracterizar

su historia geológica y dinámica, a la vez que proporcionar referencias a las muestras entregadas; documentar el regolito de manera morfológica, geoquímica, establecer su textura y sus propiedades espectrales en las zonas de recolección de muestras a escala milimétrica; medir las desviaciones orbitales de este asteroide potencialmente peligroso y restringir las propiedades de Bennu que contribuyen a este efecto; y determinar las propiedades globales del asteroide para permitir la comparación directa con los datos tomados por telescopios terrestres acerca de la población asteroidal.

Su lanzamiento está previsto para el 8 de septiembre, usando un Atlas V-411 para salir del sistema Tierra-Luna. Después de un viaje de aproximadamente tres años (incluyendo una asistencia gravitatoria terrestre el 22 de septiembre del 2017) podrá entrar en órbita en torno a Bennu entre octubre y noviembre del 2018 tras comenzar las operaciones de aproximación a mediados de agosto. La misión principal durará unos 505 días, estudiando el asteroide a lo largo de varias fases (Exploración Preliminar, Orbita A, Exploración Detallada, Orbita B y Reconocimiento). En las primeras la sonda estará a una distancia segura para realizar tareas de cartografía global y detección de peligros, y tras pasar a las fases de Exploración Detallada y Orbita B, iniciar la fase de cartografía sistemática, seleccionando hasta 12 zonas candidatas para la recogida de muestras, lista que se reducirá a dos, para luego, en la fase de Reconocimiento, hacer pasos a alturas de hasta 240 metros de la superficie, para ejecutar estudios en alta resolución, caracterización de las zonas candidatas para la recolección de muestras, y finalmente, adquirir el regolito, hacia julio del 2020. El método para

recoger las muestras parece sencillo, pero es sumamente complejo. Lo primero es aproximarse,  a una velocidad de 0.1 m/s, mientras despliega el brazo articulado. OCAMS, vía SAMCAM, además de las NavCams, se dedicará a realizar una secuencia de imágenes de todo el proceso. Una vez la cabeza recolectora contacta con la superficie, en una zona de aproximadamente 25 metros de lado, un chorro anular de nitrógeno fluye por la cabeza hasta el regolito, lo fluidiza, y lo almacena en uno de los contenedores, todo en aproximadamente 5 segundos. Dispone de nitrógeno para hasta tres secuencias de adquisición. Por medio de la unidad de medición inercial la sonda podrá verificar que la muestra ha sido cogida exitosamente. Cuando se considere que ya se han adquirido las muestras necesarias, la cápsula de retorno de muestras se abrirá, y el brazo articulado depositará la cabeza de muestras dentro, desenganchándola después. Una vez se detecte que la cápsula posee la cabeza de muestras, se cerrará y sellará. Después de acabar el estudio de Bennu, en marzo del 2021 saldrá de su órbita hacia la Tierra, a donde llegará el 24 de septiembre del 2023, entregando la cápsula en el mismo lugar en donde aterrizó la de Stardust y se estrelló la de Genesis.

Ciertamente, es una misión apasionante y muy importante en términos de historia del sistema solar y en cuanto a la seguridad futura en caso de que un asteroide pueda colisionar con la Tierra. Usando filosofía y tecnología heredada de misiones como MRO, NEAR-Shoemaker y Stardust, es un proyecto muy completo que arrojará mucha luz sobre unos cuerpos hasta hace poco bastante desconocidos. Si hay suerte, pronto (relativamente) podremos disponer de nuevas muestras de un objeto cósmico distinto a la Luna, a un cometa o el Sol. Desde aquí le mandamos toda la suerte que tengamos por aquí.