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MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

28 de Febrero de 2013

Queridos Impordawntes Lectores,

La incansable nave Dawn sigue labrando su camino a través del cinturón principal de asteroides impulsada por su sistema de propulsión iónica. A medida que modifica su órbita alrededor del Sol, la distancia hasta el planeta enano Ceres disminuye lentamente. La pertinaz sonda llegará allí en 2015 para explorar el mayor cuerpo celeste entre el Sol y Neptuno que aún no ha sido contemplado de cerca por un visitante del planeta Tierra. Mientras tanto Vesta, el fascinante mundo alienígena que Dawn descubrió en 2011 y 2012, se aleja cada vez más. El mini-planeta que rodeó cientos de veces y que estudió en enorme detalle ya sólo parece un puntito de luz a una distancia de Dawn 15 veces mayor que la que separa la Tierra de la Luna.

Mientras trepa por la ladera del sistema solar a lomos de una columna verde azulada de iones de xenón, Dawn necesita invertir todavía muchos días en vuelo propulsado para hacer coincidir su órbita con el lejano Ceres. Sin embargo, ya ha demostrado lo admirablemente capacitada que está para la tarea. La nave ha pasado más tiempo impulsándose y ha cambiado más su propia órbita que ninguna otra procedente de la Tierra. Aunque en los próximos dos años la mayoría del tiempo se dedicará a la impulsión, nuestra ambiciosa aventurera ya ha superado sobradamente la mitad de su misión. Y ahora está llegando a un interesante punto de referencia en su paseo interplanetario.

Teniendo en cuenta todo el tiempo de impulsión acumulado, Dawn ha conseguido un cambio de velocidad de 7.74 kilómetros por segundo (17 300 mph), y el valor sigue aumentando con el tiempo de impulsión. Para los entusiastas procedentes de la Tierra, esta es una velocidad especial, conocida como "velocidad orbital". Muchos satélites, incluida la Estación Espacial Internacional, viajan aproximadamente a esa velocidad en sus órbitas. ¿Significa esto que Dawn acaba de conseguir la velocidad necesaria para orbitar alrededor de la Tierra? La respuesta corta es no. La larga supone el resto de este artículo.

Ya hemos comentado estos principios en otras ocasiones, pero son poco intuitivos y las preguntas surgen una y otra vez. En lugar de enviar a nuestros lectores en una trayectoria a lo largo y ancho de la historia de este blog aún más complicada que el vuelo de Dawn en el cinturón de asteroides, vamos a repasar algunas de las ideas aquí. (Después de una reflexión muy profunda, vuestro corresponsal concedió y recibió permiso para reutilizar no sólo textos pasados, sino también futuros.)

Aunque expresar el progreso de Dawn en términos de velocidad resulta conveniente para describir la eficiencia de sus maniobras, no constituye una medida de cómo de rápido se está moviendo. En lugar de eso, es una medida de cómo de rápido se movería bajo circunstancias muy específicas (y absolutamente irreales). Para entender este punto contemplemos la naturaleza de las órbitas en general y la trayectoria interplanetaria de Dawn en particular.

La inmensa mayoría de los artefactos que los humanos han enviado al espacio se han mantenido en las proximidades de la Tierra, acompañando al planeta en su deambular anual alrededor del Sol. Todos los satélites de la Tierra (incluida la Luna) permanecen atrapados por su gravedad. (De una manera similar, Dawn permaneció como satélite del lejano asteroide Vesta durante gran parte de 2011 y 2012, atrapado en el abrazo gravitatorio del gigantesco cuerpo.) A pesar de lo rápido que parecen moverse los satélites comparados con los residentes terrestres, desde la perspectiva más amplia del sistema solar el incesante orbitar alrededor de la Tierra supone que sus trayectorias a través del espacio no difieren sustancialmente de la de la Tierra misma. Consideremos la trayectoria de un coche de carreras que circula por una larga pista. Si una mosca se cuela en el coche y se pone a revolotear, para el piloto puede que parezca moverse muy deprisa, pero si alguien mirase desde una cierta distancia la trayectoria de la mosca, en promedio sería muy similar a la del coche.

Toda la materia que compone el planeta y que orbita alrededor de él surca el espacio a unos 30 kilómetros por segundo (67 000 mph) y completa una vuelta completa alrededor del Sol por año. Para emprender su viaje interplanetario y viajar a otro sitio en el sistema solar, Dawn tenía que liberarse del agarrón de la Tierra, lo que consiguió gracias al cohete que la lanzó al espacio hace más de cinco años. Dawn y su anterior hogar siguieron caminos separados y el Sol se convirtió en la referencia natural para la posición y la velocidad de la nave en su viaje al espacio profundo.

A pesar del enorme empujón que el cohete Delta II le proporcionó (con mucho cariño, eso sí), Dawn distaba mucho de tener la energía suficiente para escapar de la poderosa atracción del Sol. De manera que, siendo como es un ciudadano responsable del sistema solar, Dawn se ha mantenido escrupulosamente en órbita alrededor del Sol, exactamente igual que la Tierra y los demás planetas, los asteroides, los cometas y otros miembros de la corte de nuestra estrella.

Tanto si es una nave o una luna orbitando alrededor de un planeta, como si es un planeta o Dawn orbitando alrededor del Sol, el Sol orbitando la galaxia de la Vía Láctea o la Vía Láctea orbitando el supercluster de galaxias de Virgo (hogar de una fracción nada despreciable de nuestros lectores), cualquier órbita es el equilibrio perfecto entre la atracción de la gravedad hacia el centro y la inexorable tendencia de los objetos a desplazarse en línea recta. Si atáis un peso a una cuerda y lo hacéis dar vueltas en círculo, la fuerza con que tiráis de la cuerda equivale a la gravedad con que el Sol atrae a todos los cuerpos que orbitan a su alrededor. El esfuerzo necesario para mantener el peso moviéndose en círculo sirve para cambiar constantemente su dirección; si en un momento dado soltáis a cuerda, el movimiento natural del peso lo haría alejarse en línea recta (ignorando el efecto de la gravedad terrestre).

La fuerza de la gravedad disminuye con la distancia, lo que quiere decir que la atracción del Sol sobre un cuerpo cercano es más fuerte que la que experimenta un cuerpo más lejano. De manera que, para mantenerse en órbita, para equilibrar el incesante tirón de la gravedad, cuanto más cerca estemos del objeto más rápido debemos viajar, venciendo así el incremento de atracción. Este mismo efecto se puede observar en la Tierra. Los satélites que orbitan más abajo (incluyendo, por ejemplo, a la Estación Espacial Internacional a unos 400 kilómetros o 250 millas de la superficie) deben moverse a toda velocidad alrededor del planeta a unos 7.7 kilómetros por segundo (17 000 mph) para evitar que la atracción los arrastre hacia el suelo. La luna, que orbita casi 1000 veces más lejos, sólo necesita viajar a 1.0 kilómetros por segundo (menos de 2 300 mph) para compensar la atracción de la Tierra, que a esta distancia es notablemente más débil.

Fijaos que esto supone que para hacer que un astronauta viaje de la superficie de la Tierra a la Estación Espacial Internacional es necesario acelerarlo hasta una velocidad bastante alta para que pueda encontrarse con la instalación orbital. Sin embargo una vez en órbita, para viajar hacia la lejana Luna la velocidad del astronauta tendría que disminuir ostensiblemente. Pero quizás la velocidad proporciona una visión parcial en lo que respecta a los viajes espaciales, de la misma manera que lo hace en este otro ejemplo de cómo vencer la gravedad.

Una persona que lanza una pelota al aire no es tan diferente de un cohete que pone en órbita un satélite (aunque la primera es normalmente menos costosa y requiere menos sustancias químicas tóxicas). Ambos representan un esfuerzo por superar la acción gravitatoria de la Tierra. Para lanzar la pelota más alto, es necesario darle un empujón más fuerte, que le comunique más energía para poder alejarse de la Tierra, pero en el mismo momento en que la pelota abandona vuestra mano comienza a decelerarse. En un lanzamiento más fuerte (rápido), la Tierra tardará más en detener el ascenso de la pelota y atraerla de nuevo, de manera que ascenderá más alto. Pero desde el mismo momento en que se separa de vuestra mano hasta que alcanza el punto más alto del arco, su velocidad se va reduciendo a medida que se ve arrastrada por la atracción terrestre. El viaje de un astronauta desde la estación espacial hasta la Luna se llevaría a cabo comenzando con un "lanzamiento" a gran velocidad desde la órbita baja inicial para ir disminuyendo de velocidad hasta que alcanzase la Luna.

El cohete que llevó a Dawn al espacio lo hizo con suficiente velocidad como para que escapara de la Tierra, enviándola mucho más allá de la Estación Espacial Internacional e incluso la Luna. La velocidad máxima de Dawn con respecto a la Tierra el día del lanzamiento fue tan elevada que la Tierra no fue capaz de atraerla de nuevo a su superficie. Como ya comentamos al repasar el perfil del lanzamiento, Dawn se lanzó a 11.46 kilómetros por segundo (25 640 mph), muy por encima de la velocidad orbital de la estación espacial que hemos mencionado hace tres párrafos. Pero aun así siguió sometida al control del Sol.

Pensemos ahora en el problema general de volar a través del espacio como si fuera la escalada de una colina. Los excursionistas terráqueos sólo hallarán su recompensa tras hacer el esfuerzo de vencer la gravedad terrestre para alcanzar una elevación mayor. De manera similar, Dawn está escalando la colina del sistema solar con el Sol en el fondo del valle. Comenzó a mitad del ascenso a la altura de la Tierra; y su primera recompensa se encontraba a más altura, donde Vesta, que viaja aproximadamente a sólo dos tercios de la velocidad de la Tierra, reveló sus fascinantes secretos a la nave visitante. La propulsión iónica está elevándola aún más hacia Ceres, que se mueve incluso más despacio para compensar la atracción aún más débil del Sol.

Si Dawn hubiese estado en gravedad cero y no obligada a obedecer las leyes del movimiento orbital, el impulso acumulado hasta la fecha la habría acelerado en 7.74 kilómetros por segundo (17 300 mph) como mencionamos al principio. Sin embargo, en lugar de hacer que la nave fuera más rápido el trabajo se dedicó a hacer que escalara la colina del sistema solar. Si Dawn se hubiera dirigido a un destino más cercano al Sol que la Tierra, la misma cantidad de empuje la habría ayudado a acelerarse para descender la colina, cayendo hacia una órbita solar más baja en la que habría tenido que apresurarse alrededor del amo gravitacional del sistema solar a una velocidad mayor que la de la Tierra.

Para colocarse en órbita alrededor de un objeto que orbita alrededor del Sol una nave tiene que igualar su órbita a la de su objetivo. Salvo en la ciencia ficción, ninguna otra nave en la historia ha sido diseñada para orbitar dos objetivos diferentes en el sistema solar. Sin su sistema de propulsión iónica la misión habría sido realmente imposible. Las órbitas más cercanas requieren velocidades más altas para contrarrestar el incremento en la atracción gravitatoria. Mercurio y Venus orbitan más rápido que la Tierra. Marte rodea el sol más despacio que la Tierra y todos los residentes (incluida Dawn) del cinturón principal de asteroides avanzan a un ritmo aún más calmado.

Como las naves espaciales necesitan diferentes velocidades relativas al Sol, su velocidad final no es tan importante en su diseño y operación como su capacidad para cambiar su velocidad después de ser lanzadas con un cohete. Debido a estas complicaciones, los científicos espaciales ponen todas las naves al mismo nivel (aunque sea un nivel sin gravedad y libre de las complicaciones de la física orbital) usando el cambio de velocidad como medida de la capacidad de maniobra de una nave.

Dawn se ha decelerado enormemente desde que dejó atrás la Tierra, pero lo realmente notable es la magnitud de su cambio propulsivo de velocidad. Si hubiese empezado con todas las demás naves en nuestra simplificada línea de salida ahora mismo estaría volando a 7.74 kilómetros por segundo (17 300 mph), mucho más rápido que ninguna otra nave espacial. Para cuando concluya su misión, estaría volando a la extraordinaria velocidad de 11 kilómetros por segundo (24 600 mph).

La mayoría de los satélites en órbita baja alrededor de la Tierra apenas modifican su velocidad, dependiendo fundamentalmente del momento que les impartió el lanzador que los llevó al espacio. Como podéis ver comparando simplemente los números de más arriba, un cohete que viaja a órbita terrestre proporciona aproximadamente la misma velocidad que Dawn alcanzará en los próximos años. (Por supuesto, Dawn y el cohete tienen objetivos diferentes. Por ejemplo, nuestra nave no tuvo que abrirse paso a través de la atmósfera terrestre impulsada por su atronador empuje. Pero los cohetes sí. Sin embargo, la coqueta Dawn está cumpliendo su irrepetible misión en el espacio sin el lastre de enormes tanques de propelente ni múltiples etapas.)

Que Dawn haya modificado su velocidad en una cantidad igual a la necesaria para ir desde la superficie de la Tierra hasta órbita baja es pura coincidencia. El cohete lanzador le dio un impulso aún mayor. Pero por lo que a maniobrabilidad tras el despegue se refiere, esta nave define su propio nivel.

Cada nave está diseñada para una misión específica. Y como ninguna nave anterior ha intentado jamás una misión como la de Dawn, ninguna nave ha necesitado tan excepcional capacidad para modificar su propia velocidad. (Algunas han utilizado ayudas gravitacionales de otros planetas para cambiar su velocidad más que Dawn. Pero eso no representa la capacidad de la nave, sino la trayectoria particular que sigue.) Entre todas ellas, las sondas que la humanidad ha enviado en viaje interplanetario nos han ayudado a construir una visión más detallada de la naturaleza del sistema solar, incluyendo su origen y evolución. Y la gente que está interesada en estos aspectos no puede sino admirarse ante los asombrosos retos, el increíble ejercicio de ingeniería, las enormes distancias, la aventura, las emocionantes vistas y los fascinantes nuevos descubrimientos que se han realizado. Con su extraordinario sistema de propulsión iónica, Dawn está proporcionando interesantísimas contribuciones a esta enorme tarea. Ya ha llevado a cabo una exploración muy detallada de un exótico mundo y, mientras continúa impulsándose con su motor iónico para escalar la colina de sistema solar con destino a otro, apenas puede aguantar la emoción anticipada de descubrir nuevos tesoros en su ambiciosa expedición.

Dawn está a 5.8 millones de kilómetros (3.6 millones de millas) de Vesta y 56 millones de kilómetros (35 millones de millas) de Ceres. También está a 2.28 UA (341 millones de kilómetros o 212 millones de millas) de la Tierra, o 910 veces más lejos que la Luna y 2.30 veces más lejos que el Sol. Las señales de radio, limitadas universalmente a viajar a la velocidad de la luz, tardan 38 minutos en hacer el viaje de ida y vuelta.

Dr. Marc D. Rayman
6:00 p.m. PST del 28 de Febrero de 2013

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