Las próximas misiones a los asteroides: DART

El 4 de julio del 2005 pasó a la historia como el día en que hicimos impactar, deliberadamente, un objeto artificial contra un cuerpo celeste más allá de nuestro satélite. El motivo de la misión Deep impact era puramente científico: en esencia, cómo es por dentro un cometa. Pero el impacto tuvo otras consecuencias, además del cráter formado. Sí, el impacto hizo que el cometa Tempel 1 alterase su trayectoria y su tiempo orbita. Es cierto que los cambios fueron nimios, imperceptibles a escala cósmica, pero medibles. Ahora, se va a lanzar una misión cuyo único propósito es impactar contra un asteroide. No por el puro placer de hacerlo, sino como experimento tecnológico y de defensa planetaria.

Hace tiempo que se viene hablando del concepto de defensa planetaria contra el impacto de cuerpos celestes. Por supuesto, el primer problema es identificar un asteroide en rumbo de colisión contra la Tierra. Superado este problema (no sólo detectarlo, sino calcular su órbita y su masa) llega el más importante. La pregunta es sencilla: ¿qué hacer? Esto no es como en las películas. Se plantean, como conceptos, hacerlos explotar (haciendo más mal que bien), o usar tractores de gravedad, o emplear sistemas de energía dirigida (usar sistemas láser) para desviarlos. Estas dos últimas son, sin duda técnicamente complejas. Yendo a lo sencillo y rápido, la mejor alternativa es lo que se llama el impactador cinético. En esencia, es lo que hizo Deep Impact, pero a mayor escala: un vehículo de impacto más grande y de mayor masa, y una velocidad de impacto superior. Esta idea fue el punto de partida para diversos conceptos, y uno de ellos, la cooperación entre la NASA y la ESA llamada AIDA (Valoración de Impacto y Desvío de Asteroides) arrancó en la década de los 2000. AIDA se configuró como dos misiones, una encargada del impacto,  y una segunda para estudiar sus consecuencias. El concepto inicial era lanzar primero la segunda, para llegar cuanto antes y poder estudiar el objetivo meses antes del impacto. Luego llegaría la segunda, impactaría con su objetivo, y la primera, tras ser testigo de la colisión, estudiase sus consecuencias. Pero como muchas otras misiones, no se dio a AIDA mucha prioridad.

Todo cambió el 15 de febrero del 2013, con el meteorito de Chelyabinsk. Esta minúscula roca (de aproximadamente 20 metros de diámetro) fue detectada horas antes de entrar en la atmósfera, demasiado tarde como para hacer nada, salvo avisar. Hubo suerte, porque explotó en el aire, y no impacto sobre zonas pobladas, aunque mucha gente fue testigo del suceso. Chelyabinsk demostró que nuestros preparativos contra impactos de asteroides son completamente inadecuados. La primera medida fue reactivar el telescopio de infrarrojos WISE para buscar y caracterizar asteroides cercanos a la Tierra, detectando los que en el futuro pueden ser peligrosos. Otra medida fue impulsar AIDA.

Con este nuevo impulso, la NASA se encargó de la misión de impacto, con la ESA dedicándose a la sonda exploradora. Ésta última, denominada AIM, se debería haber lanzado en el otoño del 2020, llegando meses después a su destino prefijado y estudiarlo como paso previo al impacto, y luego ser testigo del impacto de la sonda de la NASA (con su lanzamiento previsto inicialmente para el verano del 2021) hacia finales de septiembre del 2022, para después seguir con las exploraciones. Lamentablemente, cuando la ESA, empujada por Alemania (que prefirió financiar ExoMars) optó por la cancelación de AIM, obviamente resultó imposible cumplir este concepto. Pero esta cancelación no impidió que la NASA continuase con su parte del programa.

Encargada al JHU/APL, DART (Prueba de Redirección de Asteroide Doble) es lo que anuncia su acrónimo, un proyecto dirigido a un asteroide binario. Se ha diseñado con un único propósito en mente, que es impactar y desviar. Y, ¿a dónde se dirigirá? A un asteroide NEO binario, el 65803 Didymos. Y, ¿por qué un binario? Porque en uno de estos será más sencillo de comprobar si la técnica funciona que en vez de en uno solo. El objetivo será el cuerpo secundario, más pequeño y, por lo tanto, más susceptible de ser desviado de su trayectoria de manera visible.

El APL es famoso por añadir innovaciones en sus vehículos espaciales, ya sea en los satélites terrestres (como TIMED o Van Allen Probes) o en sus sondas de espacio profundo, a partir de CONTOUR y en adelante. DART no es una excepción a la norma. Es más, lo lleva a un grado mucho mayor. Pero, si la ves la primera vez, descubrirás una sonda sencilla, basada en una plataforma rectangular, construida alrededor de un cilindro central como núcleo y elemento principal de

soporte de carga. La plataforma es de medidas modestas (1.2 x 1.3 x 1.3 metros), pero con todo montado, y una vez en el espacio, se convierte en una sonda de 2.4 x 12.5 metros, principalmente por sus dos paneles solares desplegables. Sí, parece simple, pero no lo es, porque incorpora muchos elementos tecnológicos nuevos, empezando por su elemento de computación.  DART ha recibido lo que en el APL llaman electrónicas CORESAT, o Juego de Aviónica Pequeña CORE y, en vez de usar un procesador como núcleo, emplea una matriz de puertas lógicas programable en campo o FPGA en inglés. No es desconocido en las misiones espaciales, ya que muchos instrumentos actuales lo usan como sus cerebros, pero será la primera vez que se emplee como control completo de una sonda. Como un ordenador normal, este

FPGA, tipo RTG4 lo controlará todo, y más. Estará completamente particionado, para que cada una de ellas controle una función, de lo general al control de actitud, e incluso la adquisición, procesado y transmisión de imágenes, y cuenta con un procesador LEON3 como apoyo. Esta arquitectura se ha diseñado para ocupar muy poco, y gastar una menor cantidad energética, y con ello, en el futuro, tener misiones con una mayor instrumentación. Claro está, el sistema cuenta incluso con almacenamiento a bordo, con 32 MB de memoria RAM estática para el procesado de imágenes, y 16 GB de memoria flash. También hay novedades en el sistema de comunicaciones. Es más que probable que cuente con el sistema Frontier, fabricado en casa (que vuela actualmente en Parker Solar Probe y Al-Amal), conectado a un par de antenas de baja ganancia y un nuevo tipo de antena de alta ganancia

conocida como RLSA o Conjunto de Slot de Línea Radial. Exteriormente, tiene forma de disco, plano y delgado con una serie de cavidades en una de sus superficies. Esta tecnología se desarrolló para satélites de telecomunicaciones, pero también, más recientemente, como antenas de Wi-Fi. Sus ventajas son su ligereza y un alto rendimiento, fruto de su tiempo de desarrollo. Su rendimiento será muy alto, hasta el punto de transmitir a 3 Mb por segundo durante el encuentro y colisión. Se encuentra instalada en uno de los laterales, saliendo de uno de los extremos del cubo, acoplada a un mecanismo pivotante en dos ejes, para así mantenerla apuntada constantemente a la Tierra. Su control de actitud será triaxial, empleando una unidad de medición inercial, un escáner estelar, cinco sensores solares, y un grupo de 12 propulsores químicos de hidracina. Lo más importante es que ha recibido un sistema de impulsión iónica de altísimo rendimiento. Se le conoce como NEXT, el Motor de

Instalación del motor iónico

Xenón Evolucionado de la NASA. Se trata de un aumento significativo con respecto al sistema NSTAR que voló en Deep Space 1 y Dawn con un rotundo éxito. La arquitectura del sistema es esencialmente la misma, con el propio motor iónico, el ordenador de control (DCIU), la unidad de procesado de energía (PPU) y el sistema de regulación de xenón. Sí, nada cambia, pero evolucionan muchas cosas. Para empezar, si bien el motor conserva su arquitectura (un sistema de rejillas, o tipo Kaufman), sí aumenta de tamaño, pasando de los 30 cm. de diámetro del NSTAR a los 40 de NEXT. ¿Qué significa? Mayor empuje. Sí, sigue siendo un susurro comparado con los propulsores químicos, pero aumenta el empuje máximo de los 92 mN del NSTAR a los 236 de NEXT. Para conseguirlo, necesita aceptar más energía, por lo que la PPU ha sido construida desde cero específicamente para NEXT. Ahora, puede llegar hasta los 6.9 kW (2.5 en NSTAR) y, como en sus hermanos pequeños, la potencia de salida, y por tanto la energía a consumir, es graduable, con un mínimo de 0.5 kW. Físicamente, el motor NEXT (sería más apropiado llamarlo NEXT-C, ya que es ahora un producto comercial) se sitúa en uno de los extremos de la plataforma, instalada a ella mediante un sistema ligero de pivotes móvil en dos ejes, sin duda herencia de Dawn. De este modo, el motor iónico será capaz no solo de mantener la actitud óptima de crucero a impulsión, sino también de gobernar la actitud de la sonda, como ya se ha hecho en el pasado. NEXT-C aportará la flexibilidad de viaje que la propulsión química es incapaz de proporcionar. En la generación de energía, más novedades. Sí, funciona a base de energía solar, almacenándola en una batería, más que probable, una unidad de ión-litio. Pero lo importante son los paneles solares en sí. En virtud de su sistema de impulsión iónica, necesita o grandes paneles, o paneles de alta

eficiencia. Se ha optado por ambas gracias al empleo de la tecnología ROSA de panel solar enrollable. Demostrada en órbita terrestre en la ISS, es un elemento que ahorra mucho en términos de masa y volumen. La tecnología ROSA emplea un sustrato flexible y ligero acoplado a una base de titanio. En configuración de lanzamiento, están enrollados como en una bobina, y en el espacio, el lento proceso de despliegue será como rebobinar una cinta de casette. Las células que usa, también flexibles, son de alta eficiencia, generando energía más que sobra para el funcionamiento de la sonda. Pero esto no es todo. Cuando ambos paneles estén desplegados (cada uno medirá 8.6 metros, y con una superficie activa de 22

metros cuadrados) se abrirá otra prueba tecnológica llamada Paneles solares Transformacionales. En términos sencillos, se trata de un nuevo tipo de células, con un alto potencial de generación de energía, y unos concentradores reflectivos. Las células se denominan Células Metamórficas Invertidas, y las primeras unidades de prueba (de hace casi una década) ya mostraban eficiencias superiores al 30%, cifras que los sistemas actuales no alcanzan. Las que van en ROSA tienen una mayor eficiencia, y cuentan con elementos concentradores. No son lentes, como los paneles SCARLET de Deep Space 1, sino láminas reflectivas que recibirán la luz solar y la reflejan hacia las células metamórficas. Teniendo en cuenta que los paneles solares rotarán para seguir al Sol, esto aumentará todavía más la eficiencia de este nuevo concepto. Afortunadamente, no hay nada nuevo en la protección termal, con mantas multicapa, radiadores y calentadores eléctricos. Eso sí, la PPU del motor iónico cuenta con un sistema propio a base de tuberías que redirigen todo el calor a uno de los paneles radiadores.

DART solo cuenta con un instrumento: DRACO, la Cámara para el Reconocimiento de Didymos y otros Asteroides para Navegación Óptica. Esta es la segunda cámara, en poco tiempo, basada en el sistema LORRI de New Horizons. Es un sistema reflector tipo Ritchey-Chretién con una apertura de 208 mm. (f/12.6) y una longitud focal de 2.6 metros. Sin embargo, a diferencia de los dos LORRI anteriores (New Horizons y Lucy), DRACO cuenta con cambios importantes. El que más es la construcción de las ópticas en aluminio, y no carburo de silicio. Como no se enfrentará a grandes cambios térmicos durante su misión, esto reduce complejidad al proyecto. Otro cambio notable es la utilización de lentes correctoras de nuevo diseño justo después del telescopio; y el mayor es la utilización de un sensor y unas electrónicas específicas. El detector es de tecnología CMOS (CCD en sus

hermanos), y de mayor formato, de 2560 x 2160 pixels. Este nuevo sensor se acopla a las electrónicas del plano focal directamente, que aportan energía y comandos directamente de la sonda. Sin embargo, todo el trabajo de la operación de DRACO ocurrirá dentro de CORESAT, comandando, procesando y transmitiendo las imágenes a la Tierra a alta cadencia. Será crucial para toda la operación, sirviendo como base a la navegación óptica, permitiendo a DART llegar hasta su destino sin desviaciones, y entregando imágenes nítidas, esperando que las últimas cuenten con resoluciones inferiores a los 50 cm. Para ello, la cámara será capaz de trabajar con velocidades de obturación inferiores al milisegundo, para evitar imágenes saturadas. Con todo en su sitio, y lista para el lanzamiento (incluyendo los 50 kg de hidracina, y 60 de xenón), DART da un peso en Tierra de 610 kg.

Un pequeño porcentaje de esa masa al despegue corresponde a un pequeño complemento. Al perder AIM, se perdió la posibilidad de ver el impacto tal y como ocurrió con Deep Impact. Así, en el 2018, se tomó la decisión de acompañar a DART con un Cubesat. Fue propuesto por la Agencia Espacial Italiana, y su misión, simple: observar el sistema binario antes, durante (sobre todo) y después del impacto. Diseñado, construido, y una vez en el espacio, operado por la firma italiana Argotec, recibe el nombre de LICIACube, Cubesat Ligero Italiano para imágenes de asteroides. Se basa en una arquitectura de seis unidades, o 6U, con un diseño de plataforma conocido como HAWK, y aloja todo lo básico para funcionar: un ordenador para controlar el funcionamiento a partir de un software autónomo, así como almacenaje propio; un sistema de comunicaciones que trabaja en banda-X a través de dos pares de antenas (uno principal, otro de reserva); un sistema de control de actitud triaxial, basado en una unidad de medición inercial, un escáner estelar y dos sensores solares, así como un conjunto de ruedas de reacción, así como un sistema de propulsión con dos grupos de motores, usando gas frío; dos paneles solares desplegables para proporcionar energía y cargar una batería de a bordo; y un sistema de control termal pasivo, a base de radiadores y pinturas termales. Junto a todo esto, el Cubesat también porta sistemas de visión. La cámara principal se llama LEIA (Cámara para el Asteroide del Explorador LICIACube), y se trata de una cámara catadióptrica que emplea un sistema reflector de dos elementos, y uno refractor de 3, sirviendo a un sensor CMOS monocromático de 2048 x 2048 pixels, esperando entregar una

resolución de 1.38 metros a 55 km. de distancia. Mientras que LEIA fue diseñada a propósito para LICIACube, LUKE (Unidad Clave del Explorador LICIACube) no. Para esta cámara se ha buscado un sistema comercial, y se ha escogido un sistema ultracompacto llamado cámara Gecko. Es tan pequeña que encaja en el espacio 1U, uno de los elementos que forman la plataforma. Se ha utilizado en satélites terrestres desde, al menos, el 2017. Su sistema usa lentes que entregan la luz a un sensor digital equipado con un filtro bayer, lo que significa que ésta será la única cámara que entregará imágenes a color, con resoluciones de hasta 4.3 metros. Este sistema es customizable, hasta el punto de portar almacenamiento masivo (hasta 128 GB es capaz) pero ignoramos hasta qué punto cuenta con ello. Para viajar al asteroide, LICIACube estará dentro de un dispensador estándar, fijado a uno de los laterales. En esta configuración, sus medidas son de 36.6 x 23.9 x 11.6 cm, pero una vez lanzado al espacio, y desplegado, serán de 91.1 x 36.6 x 23.9 cm. Su masa total es de 14 kg. No lo hemos visto en ninguna parte, pero es de esperar que, además de la conexión mecánica, existan conexiones enérgicas y de datos. Decimos esto porque LICIACube será desplegado días antes de la colisión de DART con su objetivo.

DART será la segunda misión de espacio profundo en partir desde California. Su lanzamiento está previsto para el 23 de noviembre, a bordo de un Falcon 9 desde Vandenberg. Si este lanzador se ha hecho célebre es por tener componentes reutilizables, siendo el mayor su primera etapa. Para esta misión, se usará el núcleo con el código de factoría B1063, con dos misiones a sus espaldas: Sentinel-6A y un lote de 60 satélites Starlink, siendo cada lanzamiento en una base distinta. Terminado el proceso de lanzamiento, DART y LICIACube estarán en camino.

Su destino, lo dicho, es el sistema binario 65803 Didymos. Es un NEO, y se le considera un objeto potencialmente peligroso. Descubierto el 11 de abril de 1996 desde el observatorio de Kitt Peak en Arizona, está compuesto por un par de cuerpos. Su órbita (1.01 x 2.28 unidades astronómicas, durando 2.11 años e inclinada 3.4º con respecto a la eclíptica) significa que tiende a pasar muy cerca de la Tierra, y lo hace susceptible a ser observado. De hecho, es de los mejor caracterizados, ya sea con telescopios ópticos, ya sea usando potentes antenas de radar. Por tipo, se le califica como un asteroide tipo Xk, si bien estudios espectrales más recientes muestran abundancia de silicatos. No se supo que tenía compañía hasta tiempo después, en el año 2003, cuando el par hizo una

máxima aproximación a la Tierra a poco más de 7 millones de km. Gracias a los sistemas de radar, sabemos que el objeto principal (Didymos) mide 780 metros de diámetro, mientras que su pequeño satélite (Dimorphos) es de sólo 160. Y es éste último el objetivo real. La rotación del principal es de 2.26 horas, pero su satélite lo orbita en 11.92, y por lo que se ve, siempre tiene su misma cara Didymos. Sólo están separados por 1.18 km. ¿Qué ha hecho de Didymos el objetivo? Varias cosas. Es cierto que se han descubierto más de 60 asteroides NEO’s que son binarios, y su primer criterio de selección está relacionado con la capacidad de cambio de velocidad de la sonda, lo que se denomina Delta-V, y en este sentido, es el más accesible. El segundo criterio es el de tener un satélite más pequeño que el cuerpo principal, y Didymos sigue siendo así el más accesible. Otro criterio es por su caracterización, que está entre los mejores. Otro aspecto importante es que este sistema se califica como binario eclipsante, lo que significa que el satélite pasa, frecuentemente, por delante y por detrás del principal, desde la perspectiva terrestre, por lo que se puede calcular desde Tierra cualquier desvío en su trayectoria. Lo último no es un criterio, sino una oportunidad, dada por su tipo espectral y por la información proporcionada por los instrumentos infrarrojos. El hecho de que Didymos y Dimorphos posean características espectrales idénticas es de interés para poder estudiar, si es que las hay, las características que les diferencian.

El crucero de DART será, en principio, tranquilo, con momentos en trayectoria balística a secciones de impulsión iónica. En caso de haberse lanzado cuando se esperaba, este verano pasado, en el plan existía la posibilidad de sobrevolar un asteroide, o el 3361 Orpheus, o el (138971) 2001 CB21. Si sigue siendo parte del plan o no lo ignoramos, pero esperamos que sí, gracias a las capacidades de su motor iónico. Claro está, por su gran contenido tecnológico, habrá muchas pruebas en ruta, con sus aviónicas, sus paneles solares, su antena principal, el motor iónico. Finalmente, DART llegará hasta las proximidades del asteroide doble, y entonces arrancará su misión.

Las primeras operaciones comenzarán como lo ha hecho cada misión a los cuerpos menores: navegación óptica. Así, unos 30 días antes de la llegada prevista, DRACO empezará a adquirir imágenes de la zona del espacio en la que se espera que esté el sistema binario. Una vez localizado (apenas como un punto de luz) comenzarán las maniobras para dirigirse hacia su destino. Llegado a la marca de los 10 días previos al impacto,  DART lanzará a LICIACube para su vuelo en solitario. Así, mientras la sonda principal acelera hacia el impacto, el Cubesat se activará, comunicará con Tierra, se pondrá a punto, y maniobrará (más que nada, frenará) para sobrevolar el sistema a tiempo de contemplar el impacto. Lo importante llegará en el día del impacto, previsto entre los días 26 de septiembre y 2 de octubre del 2022.

Como ya ocurrió con Deep impact, teledirigir la sonda hacia su objetivo de impacto es imposible. El retardo en las comunicaciones lo hace imposible. Por ello, es necesario dotar a la sonda de un sistema de navegación autónomo. Mientras la misión Discovery usaba AutoNav, DART usará un sistema desarrollado por el propio APL, y basado en años de desarrollo en el guiado de misiles. Este software, llamado SMART Nav (Navegación en Tiempo Real para Maniobras Autónomas para Cuerpos menores) no sólo guiará la sonda hasta el impacto, será capaz de identificar, en las imágenes de DRACO, entre Didymos y Dimorphos, su objetivo. SMART Nav arrancará sus funciones cuatro horas antes del momento del impacto, pero Dimorphos sólo aparecerá en las imágenes, se calcula, una hora antes. Con su objetivo localizado, maniobrará a DART en

Deep impact, de camino al impacto (secuencia acelerada)

consecuencia, hasta dos minutos previos a la colisión. Y como ocurrió con Deep Impact, la cámara permanecerá activa hasta el último momento, consiguiendo así imágenes con una resolución de centímetros, sino milímetros. Entonces, llegará el impacto. DART impactará con Dimorphos de frente, a una velocidad de 6.6 km/s. Sí, es menor que la de Deep Impact, pero la misión Discovery impactó una masa de cobre de menos de 400 kg contra un cometa de más de 5 km. de diámetro. Dimorphos, sin embargo, solo mide 160 metros. ¿El resultado? Se espera cambiar la órbita del satélite en varios minutos, puede que llegando hasta los 10. Entonces, la función será de LICIACube.

Por supuesto, el pequeño Cubesat estará observando el asteroide doble minutos, y horas, antes del impacto, y su primer objetivo será ser testigo de la colisión. Sin embargo, LICIACube, en virtud de su sobrevuelo, entregará un retorno científico más amplio. Como Deep Impact, obtendrá imágenes de la pluma de material expulsado, obteniendo parámetros como su forma, velocidad de expansión o brillo. Claro está, también se espera ver el cráter resultante. Pero la cosa no acaba ahí, porque su lento sobrevuelo permitirá a LICIACube ver zonas de Didymos y Dimorphos no observadas antes, y entre las imágenes monocromáticas y a color de sus dos sistemas, se obtendrán secuencias que permitirán registrar la forma completa de ambos cuerpos para así determinar mejor la forma, y por tanto, el volumen, de los dos asteroides. Pero para tener todo esto, habrá que esperar, LICIACube lo almacenará todo a bordo, y lo descargará una vez concluido el sobrevuelo, que acercará al Cubesat a unos 55 km. del cuerpo principal.

El vuelo y colisión de DART se justifica con estos objetivos: el primero es demostrar la técnica de impacto cinético. El segundo, cambiar el periodo orbital de Dimorphos en, como poco, 73 segundos. El tercero, buscará caracterizar con exactitud el periodo orbital de Dimorphos, posibilitando observaciones desde Tierra, tanto antes como después, como para poder medir con exactitud el cambio de periodo orbital. El cuarto buscará calcular cuánta energía de impacto se entrega al asteroide para así estimar la masa del objeto. Y por último, y no menos importante, obtener datos para caracterizar la  localización y las características de la zona del impacto, al tiempo que se estiman los cambios dinámicos del sistema binario con el tiempo. Para esto, serán cruciales las observaciones basadas en Tierra, porque el momento del impacto se ha fijado precisamente en el momento de menor distancia entre nosotros y el asteroide binario para que muchos observatorios estén concentrados en el momento del impacto. Así, el retorno de información será superior.

Ya lo veis, una misión breve, pero cargada de tecnología nueva, y con el potencial, si funciona, de ayudarnos a defendernos de los escombros cósmicos que llueven sobre nuestras cabezas. Y, ¿qué hay de la ESA? Que la misión Hera, heredera de AIM, volará en el 2024 para ser testigo de las consecuencias.