Ventana al espacio (CC)

 

La nube oscura LDN 1641, desde Euclid. (Fuente:ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by M. Schirmer (MPIA, Heidelberg))

Las próximas misiones a Marte: ESCAPADE

En los comienzos de la exploración espacial, cuando se trataba de estudiar estudiar la magnetosfera terrestre, se confiaba únicamente en un solo satélite. Es cierto, usando múltiples satélites, cada uno con un objetivo concreto, eso sí, se empezaba a ver la complejidad de nuestro entorno espacial. Luego llegaron los satélites Pioneer, las unidades del seis al nueve (hubo un quinto, perdido en el lanzamiento) los cuales, ubicados en órbitas solares, proporcionaban información multipunto del viento solar, ideal cuando los astronautas de las misiones Apollo iban a la Luna. El prototipo de un sistema de alerta de meteorología espacial. Más tarde, llegaron los satélites europeos HEOS, los primeros de la ESA en abandonar, por un rato, la magnetosfera terrestre. Sí, fueron dos, lanzados a órbitas fuertemente elípticas, pero uno en trayectoria ecuatorial, el segundo en órbita polar. Fueron muy útiles. Y más tarde, la primera constelación diseñada a propósito: el proyecto ISEE, con dos satélites en torno a nosotros un tercero en el punto de Lagrange L1. Y otros, como Dynamic Explorer, o más recientes el cuarteto Cluster II, el quinteto THEMIS, y más reciente, la misión MMS. Pero, ¿y fuera de la Tierra?

Si los presupuestos para misiones planetarias es ajustado, difícilmente se pueden diseñar constelaciones con destinos a otros mundos. Puede decirse que la misión ampliada ARTEMIS, la continuación de THEMIS, con dos de los cinco satélites maniobrados para acabar en órbita lunar, podría ser la primera, pero era aprovechar unos recursos ya existentes. Por eso, la misión Discovery GRAIL es, en realidad, la pionera en ese sentido. Lanzar dos sondas casi idénticas, maniobrarlas en el espacio profundo, hacer que entren en órbita con horas de diferencia, y hacer que orbiten en una misma trayectoria con minutos de separación, fue todo un hito. Pero claro, fue a la Luna, es decir, a la vuelta de la esquina, astronómicamente hablando. 

¿Y en Marte? El planeta rojo tiene uno de los entornos espaciales más interesantes que existen en el sistema solar interior. Tuvo una magnetosfera propia, de la que quedan restos fosilizados, además de tener una inducida por el viento solar, que erosiona, aún hoy, la atmósfera marciana. Y son varias las misiones que estudian, a día de hoy, esta magnetosfera híbrida: Mars Express, Tianwen-1 y, especialmente, MAVEN. Este último orbitador fue diseñado especialmente para estos estudios, entregando información de gran valía... Pero no es suficiente. Al ser una sola plataforma, hay fenómenos que se le escapan al no tener acompañamiento. Bueno, pues será hora de proporcionársela.

Perteneciente al programa de misiones SIMPLEx, el dúo ESCAPADE (Explorador de Escape y Aceleración y Dinámica del Plasma) pretende ampliar lo que MAVEN nos da. Es cierto que misiones como esta se prepararon para volar como cargas secundarias en lanzamientos con destino al espacio profundo, pero diversos imponderables lo han evitado. ESCAPADE, junto con otro dúo, Janus, tenía previsto volar con Psyche, pero el cambio de lanzador (del Falcon 9 al Falcon Heavy) hizo imposible que ocupara su lugar. ¿El proyecto se canceló? No, renació. El proyecto se asoció con la firma Rocket Lab, que además de lanzar satélites, los diseña y construye. Con la experiencia acumulada con la etapa de transferencia de la misión CAPSTONE, se lanzaron a la producción de los elementos de vuelo de ESCAPADE.

Rocket Lab diseñó una etapa superior de cohete configurable para acabar convertida en un satélite independiente. Así crearon la plataforma Photon. Recientemente, la ha usado como base para toda una línea de productos, y la empleada para ESCAPADE recibe la denominación Explorer. La firma, para la producción de las sondas, llamadas Blue y Gold, ha usado su método de integración vertical en el que emplean producción propia en los elementos principales. Son vehículos de tamaño pequeño, con unas medidas de 1.20 x 1.65 x 1.09 metros en configuración de lanzamiento. Desplegado, tendrán una envergadura de 4.88 metros. Como decimos, casi todos los componentes los ha producido la firma en diversas plantas. El ordenador, el

sistema de comunicaciones (Radio Frontier de espacio profundo en banda-X, el mismo tipo que se usa actualmente en Europa Clipper, con una antena de alta ganancia en forma de disco de 60 cm de diámetro, dos antenas de media ganancia, y cuatro de baja ganancia, todas de tipo parche), el sistema de control de actitud (en sus tres ejes, con unidad de medición inercial, dos escáneres estelares, cuatro sensores solares precisos, cuatro ruedas de reacción, motores de maniobra de gas frío usando nitrógeno), generación de energía (dos paneles solares de dos secciones, desplegables pero fijos, en un ángulo de 45°, más la batería de ión-litio), control termal. De todo, sólo el motor principal de combustible líquido no lo ha producido la firma, de hecho procede de Arianespace. Es de tipo hipergólico, con combustible y oxidante tóxicos, todo hay que decirlo. Cada satélite cuenta con dos tanques para el combustible, dos para el oxidante, dos para el sistema de presurización de helio, y cuatro para el nitrógeno de los propulsores de maniobra. Su carga útil la componen tres indagaciones y un

desarrollo tecnológico. EESA, los Analizadores Electrostáticos de ESCAPADE, es sin duda el instrumento más voluminoso y pesado de a bordo. En un único paquete conjuga dos analizadores electrostáticos, como bien dice su nombre, uno para iones supratermales (EESA-i, 0.5 eV - 30 keV) y otro para electrones supratermales (EESA-e, 10 eV - 10 keV). Complementará a lo que los sensores SWEA, SWIA y STATIC de MAVEN proporcionan, midiendo energías, flujos, y masas de aquello que medirá con un amplio campo de visión. Es una repetición del instrumento SPAN-A del paquete SWEAP a bordo de Parker Solar Probe. EMAG, el Magnetómetro de ESCAPADE, emplea un único sensor de núcleo saturado triaxial, en el extremo de un mástil de dos metros de longitud. Es

curioso, porque muchas suelen equipar dos, uno más cercano a la plataforma para medir el campo magnético de la propia sonda. Por ello, la limpieza magnética está a la orden de día.  Con un rango de medición de cero a dos mil nanoteslas (nT) medirá la potencia y dirección de los campos magnéticos que detecte. ELP, la Sonda Langmuir de ESCAPADE, es en realidad un paquete que combina una sonda Langmuir multiaguja situada en el mástil del magnetómetro (mide la densidad total de electrones), dos Sondas de Iones Planares (para medir el flujo de emisión solar en el ultravioleta extremo y la densidad de iones termales) y una Sonda de Potencial Flotante (mide el potencial de cada sonda relativo al plasma a su alrededor). Este instrumento y el EMAG están controlados por la Unidad de Procesado de Datos y la Tarjeta de Control de los Instrumentos. A esto hay que sumarle el experimento tecnológico. No sería una misión a Marte si no contara con un sistema de

cámaras. Cada sonda cuenta con un sistema llamado VISIONS, o Sistemas de Observación el Visible e Infrarrojo. Desarrollado por la Universidad del Norte de Arizona, se trata de un paquete compacto (9.10 x 9.80 x 7.53 cm) y ligero (603.1 gramos la primera, 602.7 la segunda) que combina dos cámaras independientes, una para luz visible y otra para luz infrarroja, más años sistemas de control. Se ha elaborado con componentes plenamente comerciales, para demostrar que sistemas así soportan el vuelo espacial de espacio profundo, siendo ideales para misiones de bajo presupuesto. La cámara visible usa un detector CMOS con filtro Bayer para capturar imágenes a todo color; el sistema infrarrojo verá el infrarrojo termal (8-14 micrones) gracias a un conjunto de microbolómetros, que no necesitan refrigeración activa. Además, su tarjeta de control es capaz de adquirir, hacer un simple procesado y comprimir los datos antes de ser enviados. Cada cámara es capaz de obtener imágenes de todo el disco (resolución: 45 metros en el perigeo, 3.2 km en el apogeo, en el visible, 460 metros y 34 km. en TIR), si bien sólo la instalada en Blue podrá hacerlo durante el apogeo de su órbita. En Gold, se ha situado de tal forma que vea parte de la plataforma. Estas cámaras tienen tres objetivos: obtener datos de temperatura superficial para distinguir diversas unidades termofísicas; discriminar los diversos rasgos superficiales basados en las diferencias de color y albedo; y seguir la cantidad de energía entrante y saliente. Además, la banda verde de la cámara visible se podrá ajustar para intentar ver tanto la aurora de oxígeno como el brillo nocturno de oxígeno. La masa seca de cada sonda es de apenas 209 kg. En cuanto sean repostadas, su peso en báscula aumentará a 535 kg.

Como ya dijimos, las sondas perdieron lanzador y ventana de lanzamiento. Al ser diseñadas para ser cargas secundarias, no parecía existir misión adecuada a sus características. ¿Entonces? La única solución es un lanzamiento dedicado. Por ello, ha costado seleccionar el vehículo adecuado. El escogido

es un recién llegado a la competición: se llama New Glenn, y lo produce la firma Blue Origin. Se ha desarrollado para ser la competencia directa del Falcon 9, hasta en la recuperación de la primera etapa. Es un monstruo, de 98 metros de alto y siete de diámetro. Usa dos etapas, la primera con siete motores que queman metano y oxígeno líquidos, más una segunda que emplea dos motores criogénicos que usan hidrógeno y oxígeno líquidos. Hasta la cofia es de siete metros de diámetro, lo que le hace la más grande en servicio, permitiendo cargas muy voluminosas. Es capaz de situar hasta 45000 kg en órbita baja terrestre, y hasta siete mil en trayectoria translunar. Además, la primera etapa es recuperable. Despega desde la veterana plataforma 36, concretamente la usada por los viejos Atlas-Centaur que, en las décadas de 1960 y 1970 pusieron en el espacio las misiones Mariner, Pioneer o Surveyor. El 9 de noviembre la misión comenzará con su lanzamiento. Es cierto que no es la ventana de lanzamiento óptima para una misión a Marte, lo que significa que, una vez en el espacio, le espera un trayecto más largo y retorcido de lo habitual.

Su trayecto no será directo, no. Para la misión, y esta ventana en concreto, se ha desarrollado un viaje inusual. De tal forma, que durante algo más de un año el par de sondas estarán cerca de nosotros, viajando despacio de aquí hasta el punto de Lagrange L2 antes de volver hacia la Tierra, en lo que llaman órbita con forma de riñón. Entonces, para noviembre del 2026, aprovechando el retorno con su paso extremadamente cercano, aprovechará la gravedad terrestre más la propulsión principal para lanzarse, esta vez sí, rumbo a Marte.

El periodo de crucero será tranquilo por necesidad, con una trayectoria de transferencia tipo 2. Eso sí, Blue y Gold no se separarán demasiado porque se pretende usar todo el potencial de las antenas de la Red de Espacio Profundo, contactando con ambas a la vez. La maniobras correctoras sucederán con horas de diferencia. Por lo demás, un periodo calmado. Y como decimos, al no ser la ventana óptima, tardarán en llegar, con la inserción orbital prevista para septiembre del 2027.

Blue será la primera en entrar en órbita; Gold lo hará dos días después. Quedarán en altas órbitas elípticas que reducirán a lo largo de varios meses con su motor principal, hasta alcanzar una trayectoria común, de entre 160 x 8400 km, inclinada 65° con respecto al ecuador marciano (duración, 5.66 horas). En esta configuración, la separación puede variar entre los cero y los treinta minutos. Concluida esta primera fase, de unos seis meses, cada sonda empezará a maniobrar independientemente quedando en trayectorias únicas. Gold aumentará su apogeo a 10.000 km (4.9 horas), Blue lo reducirá a unos 7.000 (6.6 horas), también el plano orbital será distinto, sin alterar su inclinación. Sin contar los periodos de maniobras, la misión primaria de ESCAPADE será de once meses.

Ambas sondas se han diseñado para una adquisición de datos continua, lo que implica una capacidad notable de almacenamiento a bordo, por lo que, en los contactos, no sólo enviarán lo almacenado, también información en tiempo real. ESCAPADE ha sido diseñada para comprender la interacción entre

el viento solar y la alta atmósfera marciana, con tres objetivos: comprender los procesos que controlan la estructura de la magnetosfera híbrida del planeta y cómo guía los flujos de iones; entender cómo la energía y la inercia se transporta del viento solar a través de la magnetosfera marciana; entender los procesos que controlan el flujo de energía y materia dentro y fuera de la atmósfera.

En verdad, ESCAPADE es muy importante. Sin las dos sondas de esta misión, nos perdemos fenómenos muy importantes, porque una sola sonda no puede distinguir variaciones espaciales o temporales; es incapaz de dar respuestas sobre las condiciones cambiantes del viento solar (de, aproximadamente, un minuto), viendo sólo con un retardo temporal de más de una hora; una sola sonda no puede caracterizar la dinámica de la frontera del plasma. Por ello, con múltiples sondas, se puede hacer un estudio tridimensional y temporal para crear una imagen real de la magnetosfera híbrida marciana y cómo responde al viento solar. Con la primera campaña, ESCAPADE se enfocará en los fenómenos temporales. En la segunda, en los espaciales.

Pues aquí están: dos sondas pequeñas, pero con una tarea colosal, y un perfecto complemento de MAVEN. Claro, hubiera sido ideal tenerlas en el espacio antes, ahora que estamos en el máximo solar, pero es mejor tarde que no nunca. A por ello .

Misión al planeta Tierra: HydroGNSS

 A estas alturas, ya nadie debería extrañarse de que usar las señales de los satélites de navegación por (valga la redundancia) satélite es beneficioso para la ciencia. Por ello, es nuestro deber informar que, en pocos días, una nueva misión hará esto mismo, con una gran lista de objetivos.

Como se sabe, la navegación por satélite empezó siendo una herramienta militar, y hoy se usa para montones de cosas. Existen sistemas globales y sistemas regionales, si bien todos consisten en lo mismo: señales de radio con información de tiempo empotrada. Pero al ser una señal de radio, puede estar afectada tanto por la atmósfera como por la superficie. Ahí empezó todo. 

TOPEX-Poseidon fue el primer satélite en confiar en un receptor de GPS para su geolocalización, pero el primero en usar uno para la ciencia fue él alemán CHAMP. Y lo hizo para dos temas: sondeo atmosférico y altimetría. Combinado con experimentos instalados en aviones, se demostró que las señales reflejadas por el suelo y los océanos ofrecían información. De hecho, una de las primeras aplicaciones prácticas nos la trajo la constelación CYGNSS, dedicada al estudio de la velocidad del viento en la superficie de los océanos, en una forma de dispersometría por GNSS. La misión prosigue a día de hoy, si bien perdió uno de sus ocho satélites recientemente. Y, aunque el enfoque de la misión está en el agua, ha contribuido también en suelo firme. Que fuera capaz de crear imágenes de cuencas hidrográficas o humedales con alta resolución fue una sorpresa que muchos empezaron a explotar. ¿Qué tal una misión más centrada en tierra que en el agua?

Os presentamos a HydroGNSS, la primera misión clase Scout de la Agencia Europea del Espacio. Este tipo de misiones es un nuevo paradigma: misiones pequeñas, de ajustado presupuesto y corto ciclo de desarrollo. Busca llenar vacíos en nuestros conocimientos usando innovaciones tecnológicas, ideas nuevas, escasos recursos. Lo que esta misión usará se conoce como reflectometría por GNSS, usando los receptores de a bordo con las señales de uno o más satélites como un experimento de radar bistático, es decir, que la fuente emisora procede de otro lugar, y simplemente recibe la señal reflejada desde el suelo, y el procesado revela la información oculta. No es la primera misión que lo hace, hay que decirlo, puesto que ISRO lanzó su satélite EOS-08 con un instrumento de vocación similar, que da buenos resultados. Cuando HydroGNSS se aprobó, sólo hablaba de un satélite. El año pasado se decidió añadir un segundo. ¿Afecta esto al presupuesto total? La respuesta es no y, como es obvio, se doblará el retorno científico. Conozcamos a los pequeños de la casa.

La misión ha sido ideada, propuesta y realizada por la firma más experimentada en la reflectometría por GNSS: la Surrey Satellite Technology Ltd. del Reino Unido, empresa que lleva en funcionamiento desde 1985, hoy subsidiaria de Airbus. Al menos, lleva desde el año 2010 experimentando con esta técnica; de hecho, la carga útil de CYGNSS es obra suya. 

Cada satélite HydroGNSS es lo que podríamos considerar un microsatélite. El bus usado en ambos ejemplares es el SSTL-21, perteneciente a la familia de plataformas SSTL-MICRO. Cada uno posee unas dimensiones de 45 x 45 x 70 cm, sin contar con los paneles solares; sin embargo, es plenamente redundante en casi todos sus sistemas. Cuenta con un grabador de datos capaz de almacenar hasta 500 GB de datos. Su sistema de comunicaciones es dual, banda-S bidireccional para comandos y telemetría, y banda-X de alto rendimiento para la transmisión de los datos generados a bordo, con una única antena. Su estabilización es triaxial, contando con lo básico, como dos escáneres estelares. Por si fuera poco, usa un motor iónico

con combustible de xenón, ideal para un satélite de estas dimensiones. Ah, y cuatro panes solares se encargarán de proporcionar toda la energía que se consuma, y cargar la batería de a bordo. Su carga útil es un Receptor de Cartografía por Retraso Doppler llamado SGR-ReSI-Z. Cuenta con dos grupos de antenas receptoras de GNSS (usará principalmente señales de los sistemas GPS y Galileo), una en la parte superior y cuatro en la inferior, apuntando al planeta. La antena superior recibirá las señales directas de los satélites, el grupo inferior las reflexiones de las señales en el suelo. El sistema se ha diseñado para recibir señales de frecuencia dual y doble polarización, que serán preprocesadas a bordo. En sus electrónicas se añade un canal coherente de mayor ratio para poder recoger señales procedentes de fuertes reflejos desde la superficie a una resolución más alta. Todo para formar mapas de las zonas de interés. La masa máxima de cada satélite es de 75 kg. Unos peso pluma, sin duda.

Dado el tamaño y masa de los satélites HydroGNSS, éstos pueden caber en cada tipo de cohete, ya sea como la principal carga útil, ya como carga secundaria. Como es habitual últimamente, se trata del Falcon 9, en la misión Transporter-15, junto con más de treinta minisatélites más, entre ellos un par de minisatélites españoles. Echará a volar el 28 de noviembre desde la base de Vandenberg, California, y usará la primera etapa B1071, en el que será su trigésimo lanzamiento, habiendo puesto en órbita misiones como SWOT y tres misiones Transporter más. Al final del proceso de lanzamiento, los satélites se situaran en una órbita polar a 550 km de altitud, sincrónica solar cruzando el ecuador a las 10:30 de la mañana, hora local. Y ambos estarán separados por 180°, reduciendo el tiempo de retorno a un lugar concreto a la mitad.

La ventaja que tiene HydroGNSS es la de poder tomar datos prácticamente todo el tiempo. No importará que sea de día o de noche, que esté despejado o nublado, que sea un día seco o uno lluvioso. Las señales de GNSS en banda-L están poco afectadas por las condiciones del tiempo, y penetran más que otras de más alta frecuencia. Cuenta con varias zonas de estudio: la humedad de suelo es un factor crítico. Hoy es investigado y medido por dos satélites veteranos como SMOS y SMAP, si bien HydroGNSS lo hará con una resolución más alta, de hasta 25 km, vital para los pronósticos meteorológicos, la hidrología, el análisis agrícola y la predicción de inundaciones a gran escala. El estado de congelación y deshielo es básico en estos tiempos. Se piensa, especialmente, en las zonas de altas latitudes donde existe el permafrost, el hielo bajo la superficie de forma casi permanente. Que este permafrost empiece a deshelarse es una mala noticia, porque son almacenes de gases antiguos, como el metano, pero también de dióxido de carbono, y hasta de calor. ¿Cuánto hay?, y ¿a qué ritmo de deshiela? Eso se intentará ver. Otro enfoque está en los humedales. Por lo general, son imposibles de ver por los satélites ópticos como consecuencia de la masa forestal que los esconde. Son ecosistemas frágiles, y al mismo tiempo almacenes de gases, en los que también abunda el metano. ¿Cómo se comportan?, esa es la pregunta. También tratará de detectar las señales que puedan anunciar una posible inundación. Con el suelo saturado de humedad, al final resultará imposible de retener más, provocándolas. La intención es, precisamente, la saturación de agua en la superficie, alertando así del posible peligro. Igualmente importante será el estudio de la biomasa. La masa forestal es difícil de cuantificar, pero si tenemos un cálculo aproximado, puede llevarnos a saber cuánto carbono hay almacenado en los bosques de la Tierra, y cuánto son capaces de absorber, lo que se llama un "sumidero" de carbono. Supondría una ayuda para la misión Biomass. Y, como objetivos secundarios, se podrán tomar mediciones de la velocidad del viento en la superficie oceánica, y medir la extensión del hielo marino en los polos. Casi nada.

Pueden parecer pequeños, sí, pero su misión será colosal. Si tiene éxito, que es lo que deseamos, podría llevar a una misión futura que sería una constelación con muchos más satélites. En fin, será cuestión de cruzar los dedos.