El agua es un elemento que deja huella. Da igual que esté en estado líquido, sólido o gaseoso, siempre está ahí. El agua es, de hecho, el elemento
diferenciador que entre la Tierra y los demás planetas rocosos del sistema
solar. Muchas sondas espaciales han sondeado la gravedad de sus destinos para
construir mapas gravitatorios que, posteriormente, se usan para ver cómo ser
por dentro. Hemos construido mapas así de Mercurio, Venus, la Luna, Marte, e
incluso asteroides, y en todos ellos, no hay cambios, con el tiempo, y, cuanto
más tiempo pasen, más precisión se gana. El agua en la Tierra, por el
contrario, lo cambia todo, porque está en continuo movimiento, y al tener masa
que se mueve, el mapa gravitatorio también cambia.
Hay agua por todas partes, y
muchas veces la vemos. En los océanos, los mares, los ríos, los lagos, los
glaciares, las capas de hielo, pero a veces no se ve, como en la atmósfera como
vapor, o en acuíferos bajo tierra. Tampoco podemos llegar a todas las
profundidades de los océanos, por lo que no sabemos cómo se mueven. La única
forma de ver todo esto es seguir su masa, a partir de su influencia en la
gravedad terrestre.
En el año 2002, la NASA y el
Centro Alemán de Investigación en Geociencia (
GeoForschungsZentrum GFZ) de Postdam pusieron en
órbita el tándem
GRACE. Dos satélites
idénticos, la misión de Recuperación de Gravedad y Experimento Climático
buscaba realizar mapas gravitatorios de la Tierra cada mes, para mostrar el movimiento
del agua por todo el planeta. Los dos satélites actuaban como un instrumento
conjuntado, y aunque diseñados para funcionar durante cinco años,
han estado en
operaciones hasta este año pasado, cuando la edad les ha pasado factura. Pero no
ha sido tiempo desperdiciado, porque sus resultados han servido para la
redacción de miles de artículos científicos, y para resultados tan importantes
como el seguimiento de los cambios de la masa de hielo en los casquetes
polares, la estimación de los cambios globales en cuanto a almacenamiento de
agua subterránea, registrar los cambios de masa después de grandes terremotos (Indonesia
2004, Japón 2011), o detectar cambios en las corrientes profundas de los
océanos, algo muy importante para todo el clima del planeta. ¿Cómo seguir el
movimiento del agua? Bueno, el agua fría tiene distinta densidad a la del agua
caliente, y al ser la primera más densa, genera más señal gravitatoria. Al medir
estos cambios con extrema precisión, se podrá construir un buen mapa.
Antes de
GRACE, Alemania puso en órbita
CHAMP,
un satélite pionero en muchas ramas, entre ellas la medición de la gravedad. Sin
embargo, la idea de usar dos satélites ya venía de antiguo, solo se necesitaban
diversos saltos tecnológicos que lo pudieran hacer posible.
GRACE fue lanzado por un
Rockot desde el Cosmódromo de Plesetsk
en marzo del 2002, como la penúltima misión de la NASA lanzada fuera de
América, y resultó tan exitosa su tarea, que la idea fue copiada para hacer lo
mismo alrededor de la Luna, con la misión Discovery
GRAIL, que funcionó alrededor de Selene a lo largo del año 2012.
GRACE no ha sido la única misión
dedicada a la gravedad en este tiempo. También desde Plesetsk, un
Rockot lanzó para la ESA la misión
GOCE, uno de los satélites más complejos
desarrollados en Europa. A diferencia de la misión de la NASA, la europea era
solo un satélite, pero disponía de un instrumento único, llamado
Gradiómetro,
que empleaba seis
acelerómetros situados en los extremos de tres ejes en forma
de los ejes cartesianos. Otra cualidad era que sus mediciones las hacía desde
una órbita extremadamente baja. 250 km., lo que le hacía más sensible no solo a
la gravedad, también a la resistencia atmosférica, por eso GOCE ha sido el primer satélite aerodinámico. Y para mantenerse en
su órbita contrarrestando la resistencia atmosférica, portaba un par de motores
iónicos. La misión de GOCE duró más
de lo anticipado, pero permitió crear el mapa gravitatorio más preciso jamás
creado, entregándonos una vista de nuestro planeta más bien poco familiar. En el
año 2010 la NASA identificó la necesidad de ampliar esta base de datos
gravitatoria, más allá de GRACE, por
lo que de esta manera se arrancó el desarrollo de la misión que hoy nos ocupa.
De la misma forma que con la base
de datos de topografía oceánica (iniciada en 1992 con
TOPEX-Poseidon, y continuada hoy con
OSTM/Jason-2 y
Jason-3),
o la de irradiación solar (iniciada en 1979), la de la gravedad se considera
vital, y la intención es aumentarla todo lo posible, con la intención de
encontrar patrones que relacionar con el Cambio Climático y otros sucesos
climatológicos. La verdadera intención había sido la de tener a
GRACE y su sustituto,
GRACE-FO, trabajando en conjunto para
evitar huecos en la base de datos. Por desgracia, el agotamiento del
combustible en
GRACE-2, así como la
avería de la batería, condenó la misión a su fin, por lo que en esta base de
datos existirá un hueco de unos meses prácticamente imposible de rellenar. Ahora
la prisa es lanzar
GRACE-FO cuanto
antes, para cerrar el hueco en el menor tiempo posible.
GRACE-FO, la misión de continuación de GRACE, también está compuesto de dos satélites idénticos. Diseñados
y construidos por Airbus Defence & Space de Alemania (la antigua Astrium
GmbH), sus medidas son idénticas: 3.123 metros de largo, 0.78 metros de alto,
1.943 metros de ancho en la base y 0.69 metros de ancho en la parte superior. Son
vehículos rectangulares, pero tienen forma de triángulo truncado. Básicamente carecen
de partes móviles (salvo la antena inferior, al final de un pequeño mástil
desplegable), para así simplificar todo, evitando riesgo de averías. La estructura
está elaborada con fibra de carbono reforzada con plásticos, material casi
insensible a los cambios de temperatura provocados por la órbita del satélite,
y sobre esta base se coloca todo el equipo. En muchos casos, todo el hardware
es herencia de la misión anterior, pero con mejoras para alargar su vida, y con
tecnología más moderna. Muchos de los elementos son casi idénticos, como el
ordenador, el sistema de comunicaciones (en banda-S, con la antena principal al
final del mástil, y dos antenas tipo parche) o el
control termal. El sistema
energético también es similar, con las células solares situadas en los
laterales y la parte superior de la estructura, pero cambian la batería, de
níquel-hidrógeno en la misión anterior, por unas de ión-litio en los actuales. Estabilizados
en sus tres ejes para su orientación, básicamente todo es lo mismo (escáneres
estelares, sensores solares y terrestres, unidad de medición inercial, sistema
de propulsión de gas frío, sistemas magnéticos de reorientación conectados a un
magnetómetro, receptores de GNSS y un acelerómetro muy sensible). El cambio más
visible es el añadido de un tercer escáner estelar, que ve a través de una ventana
en la parte superior de cada satélite, junto a las antenas de los receptores de
GNSS. Hay otro elemento de los satélites heredado de la misión anterior es el mecanismo
de corrección de masa. Para obtener mediciones exquisitamente precisas, el
centro de gravedad de los satélites debe estar localizado y fijado
precisamente. Para que las lecturas del acelerómetro sean las correctas, cada
satélite dispone de seis mecanismos que contienen una masa en movimiento sobre
una ruleta, cada uno proporcionando correcciones del centro de gravedad por
cada eje del satélite. La instrumentación está formada principalmente por el
MWI, el
Instrumento de Microondas. Se compone de un oscilador ultraestable, ensamblaje
de medición de Banda-K/Ka y la unidad de procesado de datos. El oscilador es el
sistema encargado de transmitir la señal de microondas a una frecuencia fija
concreta, y se transmite al ensamblaje, compuesto por antenas tipo cuerno de
banda dual, transmisores/receptores duales y otros elementos asociados. Cada satélite
tiene dos antenas, cada una en una cara, de tal manera que cada uno puede
adoptar cualquier posición en la formación. El sistema consiste en transmitir
emisiones de microondas entre cada satélite, y calculando el tiempo que tardan
las señales en transmitirse y recibirse, se consigue medir la distancia entre
los dos satélites a niveles de precisión tales que son menores al grosor del
pelo humano. Complementando todo esto está el acelerómetro, que se dedicará a
registrar todas las aceleraciones sobre los satélites que no tienen nada que
ver con la gravedad (para sustraerlas), los receptores GPS, para situar los
satélites con precisión alrededor de nuestro planeta, así como un conjunto de
retroreflectores láser en cada uno, para lo mismo. Esto convierte a los
satélites en un instrumento en sí mismo, para medir así todas las fluctuaciones
de la gravedad. Al tiempo, los receptores GPS (o GNSS) no solo servirán para
fijar la posición de los satélites alrededor de la Tierra, también se usarán,
como en GRACE, para sondeos
atmosféricos. Usando las señales de los satélites GPS, a medida que salen o se
ponen por el horizonte de los GRACE-FO,
la información recogida por los receptores registrarán las alteraciones que se
producen en las señales que atraviesan la alta atmósfera, con el objetivo de
construir perfiles verticales de temperatura y vapor de agua. Además, hay un
sistema que los GRACE-FO añaden con
respecto a los satélites de los que derivan. Se le conoce como
LRI, Interferómetro
de Medición Láser. Es un dispositivo de prueba tecnológica que pretende
demostrar medición de distancia entre satélites usando sistemas láser. Con la
intención de mejorar la medición de distancia entre satélites por 10. Se compone
de un montón de sistemas, alrededor de un soporte óptico con espejos móviles,
un telescopio con bafles y una apertura de aproximadamente 1 centímetro, fotoreceptores,
un ensamblaje de tres espejos móviles, el propio transmisor láser, y las
electrónicas de funcionamiento. Si bien el sistema de microondas será el
primario, el sistema láser podrá ser usado para incrementar la precisión,
aunque la verdadera tarea de este sistema tecnológico es demostrar que funciona
en el espacio (es el primero de su tipo en ser lanzado a la órbita) y su
viabilidad para futuras misiones de medición gravitatoria, así como el sistema
de interferometría láser que se usará en la misión de ondas gravitacionales
LISA. A plena carga en el momento del lanzamiento, la masa total de cada uno es
de 600.9 kg., más de 100 kg. con respecto a sus predecesores, principalmente
por el sistema LRI.
Un Falcon 9 Block 4 lanzará ambos satélites, pero no lo harán solos:
irán acompañados por cinco satélites de comunicaciones Iridium NEXT. Se trata de una nueva misión más de SpaceX en la que usará una primera etapa ya utilizada, ya que se ha demostrado que todos los vuelos con primeras etapas reutilizadas han acabado en éxito de sus misiones. El lanzamiento está previsto para el 19 de mayo,
desde la base de Vandenberg, California. Con potencia de sobra, primero serán
separados nuestros protagonistas, a una órbita a 490 km. sobre la Tierra, para
más tarde la segunda etapa elevar a más altitud los otros cinco pasajeros.
Los primeros días de
GRACE-FO en órbita los pasarán alejándose
el uno del otro, hasta que una maniobra detenga la deriva, para fijar la
distancia entre satélites a 220 km. Tras poner a punto sus sistemas, su misión
arrancará. Para medir la gravedad el método es simple: el primer satélite, o líder,
empezará a pasar por una zona de más gravedad, por lo que aumentará su
velocidad y, una vez fuera, la perderá, para luego pasarle lo mismo al segundo
satélite, o seguidor. Calculando las pequeñas variaciones de distancia, y cada
mes, se podrá crear un mapa de la gravedad, y juntando todo esto mes a mes, ver
lo que ocurre con el movimiento del agua, de los continentes, o el propio
hielo.
Básicamente, al ser una misión de
continuación, los objetivos científicos son los mismos, a saber: seguir el
movimiento del agua en y bajo la superficie terrestre; seguir los cambios en
las capas de hielo a escala global, así como del nivel del mar; el estudio de
las corrientes oceánicas, a distintas profundidades de los océanos; buscar
cambios en la estructura de la Tierra sólida (terremotos, corrimientos de
tierra, el rebote de la corteza tras la desaparición de capas de hielo…);
perfilado atmosférico usando las señales GPS; y apuntar las causas de los
movimientos de masa por todo el planeta.
Es mucho lo que GRACE, consiguió, y GRACE-FO pretende coger el testigo para incrementar la base de
datos acumulada hasta el año pasado. A por ello.