Misión al planeta Tierra: GRACE-FO

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.