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Dawn Mission: Mission > Crónicas de Dawn: 24 de Agosto de 2008

MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

24 de Agosto de 2008

Queridos Dawnívoros,

La nave Dawn sigue adelante en su intento de desentrañar los secretos que se esconden en las profundidades del cinturón de asteroides, entre Marte y Júpiter. Su camino hacia tan distante región del sistema solar la está acercando al Sol y, gracias en parte a todo el tiempo que ha dedicado a impulsarse con su sorprendente sistema de propulsión iónica, hace poco que alcanzó su mínima velocidad en lo que va de misión. Para comprender este enigmático comportamiento, ¡seguid leyendo!

Los que hayáis leído acerca del sistema solar o lo hayáis visitado sabréis ya que el cinturón está mucho más lejos del Sol que la Tierra. Dawn rebasó la órbita de Marte en Junio, pero aún no se ha alejado suficientemente del Sol para alcanzar el asteroide Vesta, su destino final. El planeta enano Ceres, su segundo objetivo, se encuentra aún más alejado en las profundidades del espacio. Así que aquellos cuya memoria sea tan extensa como para abarcar el párrafo anterior os estaréis preguntando por qué Dawn parece estar desandando su camino y acercándose al Sol.

A pesar de todas las innovaciones que convierten este proyecto en algo tan fascinante, el equipo de Dawn todavía no ha dado con la manera de viajar hacia atrás en el tiempo. (Si hubiera sido así, mientras escribimos este blog, estaríamos en condiciones de evitar el error ortográfico que se produjo durante la redacción del último artículo.) Para comprender por qué Dawn parece estar retrocediendo, tanto por dirigirse hacia el sol como por volar más despacio que al principio de la misión, necesitamos considerar algunos de los principios que gobiernan el viaje espacial.

Vuestro corresponsal ya os ofreció un breve repaso de estos concepto en el blog de otra misión interplanetaria, Deep Space 1. Si no fuera por unas imprevistas dificultades legales con una especie que habita en galaxias espirales y es capaz de pensamiento abstracto, nos limitaríamos a reproducir aquí dicho material. En vez de eso, consideraremos los mismos conceptos pero con diferentes palabras.

El objetivo de este texto es únicamente proporcionar una primera idea intuitiva de los fundamentos. En un acto de caridad desinteresada y para ayudar a los Numerívoros de Q2237+0305, este artículo incorporará más números de los habituales. No es necesario que los estudiéis en detalle; algunos lectores los encontrarán útiles y otros preferirán pasar de puntillas por encima. En cualquier caso, podemos aseguraros con certeza absoluta que, incluso con la comprensión ocasional de este material, los lectores interesados no encontrarán particularmente difíciles los exámenes de doctorado del prestigioso Instituto Galáctico de Viajes Espaciales (también conocido como "el prestigioso Instituto Galáctico de Viajes Espaciales".)

La inmensa mayoría de los ingenios humanos lanzados al espacio han permanecido en las cercanías de la Tierra, acompañandola en su recorrido anual alrededor del Sol. Los satélites de la Tierra (incluida la Luna) estás ligados a ella por la gravedad. Aunque parezcan viajar muy rápido desde el punto de vista de los habitantes del planeta, desde la perspectiva del sistema solar su incesante orbitar alrededor de la Tierra supone que sus trayectorias no difieren significativamente de la de la Tierra misma. Todos los objetos en su superficie o en órbita alrededor de la Tierra viajan alrededor del Sol a una velocidad promedio de unos 30 kilómetros por segundo (67 000 millas por hora), lo que les permite completar una órbita alrededor del Sol en un año. Para emprender su exploración interplanetaria y viajar a cualquier otra parte del sistema solar, Dawn tenía que liberarse del abrazo gravitatorio de la Tierra, cosa que logró gracias al cohete que la transportó al espacio el año pasado. A partir de entonces Dawn y su hogar primigenio tomaron caminos diferentes y el Sol se convirtió en el punto de referencia natural para determinar la posición y la velocidad de la nave en sus viajes por el espacio profundo.

A pesar del enorme (¡pero afectuoso!) empujón que el cohete Delta II le propinó a Dawn, la nave no tenía ni mucho menos la suficiente energía para escapar de la poderosa gravedad solar. Así que, como un ciudadano responsable del sistema solar, Dawn permanece fielmente en órbita alrededor del Sol de la misma manera que la Tierra y el resto de los planetas, asteroides, cometas y otros miembros del séquito solar.

Ya sea una luna o una nave orbitando un planeta, un planeta o Dawn orbitando el Sol, el Sol orbitando la Vía Láctea o la Vía Láctea orbitando el supercluster de galaxias de Virgo (hogar de una considerable proporción de nuestros lectores), una órbita es el equilibrio perfecto entre la atracción gravitatoria y la inexorable tendencia de los cuerpos a moverse en línea recta. Si atáis un peso a una cuerda y lo hacéis girar en círculos, la tracción de la cuerda equivale a la fuerza gravitatoria que el Sol ejerce sobre los cuerpos que orbitan a su alrededor; si soltáis la cuerda, el movimiento natural del peso lo alejará en línea recta (dejando de lado el efecto de la gravedad terrestre).

La fuerza de la gravedad disminuye con la distancia, de modo que el efecto del Sol sobre un cuerpo cercano es mayor que sobre uno lejano. Por tanto, para equilibrar el incansable tirón de la gravedad y mantenerse en órbita, los objetos deben viajar tanto más rápido cuando más cerca estén, compensando así el incremento de la atracción solar. El mismo caso se aplica a la Tierra. Los satélites que orbitan cerca de la Tierra (incluida, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional, que está a menos de 400 kilómetros de la superficie) tiene que volar a la mareante velocidad de unos 7.7 kilómetros por segundo (más de 17 000 millas por hora) para evitar que la gravedad los arrastre hacia el suelo. La Luna, que se encuentra más de 1000 veces más lejos, sólo necesita viajar a unos 1.0 kilómetros por segundo (menos de 2300 millas por hora) para compensar la atracción de la Tierra, que es mucho menor a esa distancia.

Esto supone que, para que un astronauta pueda viajar de la superficie terrestre a la Estación Espacial International, tiene que incrementar su velocidad considerablemente si quiere aterrizar suavemente en el ingenio orbital. Pero una vez en órbita, si realiza un viaje hasta la Luna, mucho más distante, su velocidad acabará disminuyendo sustancialmente. Es muy posible que la velocidad nos esté propocionando una idea un poco sesgada de los viajes espaciales, de la misma manera que en el siguiente ejemplo de cómo contrarrestar la fuerza de la gravedad.

Una persona lanzando una pelota no es sustancialmente diferente de un cohete lanzando un satélite (aunque aquélla no es normalmente tan cara y suele contener muchos menos compuestos químicos tóxicos). En ambos casos un objeto lucha contra la atracción gravitatoria de la Tierra. Para lanzar la pelota más alto hay que lanzarla más fuerte, comunicándole más energía para que pueda alejarse de la Tierra, pero en el mismo momento en que se suelta empieza a decelerarse. Con un lanzamiento más fuerte (más rápido) la Tierra tardará más en detener la pelota y hacerla caer de nuevo, por lo que la pelota llegará más alto. Pero desde el mismo momento en que se lanza y hasta que alcanza la cúspide de su arco, su velocidad mengua constantemente a medida que cede a la atracción gravitatoria. Del mismo modo, el viaje del astronauta desde la estación espacial hasta a la Luna se llevaría a cabo con un "lanzamiento" a alta velocidad desde la órbita inicial, para ir perdiendo velocidad a medida que se acerca a la Luna.

El cohete que transportó a Dawn hasta el espacio lo lanzó con fuerza suficiente para escapar de la Tierra, enviándolo mucho más allá de la Estación Espacial Internacional y más que la Luna. De hecho la nave está ahora mismo más de 1 millón de veces más lejos que la estación. La velocidad máxima de Dawn el día del lanzamiento fue tan elevada que la Tierra no pudo hacerla caer de vuelta al suelo. Como ya hemos mencionado en un artículo anterior, Dawn se lanzó a 11.46 kilómetros por segundo (25 600 millas por hora), excediendo ampliamente la velocidad de la estación espacial que hemos mencionado 3 párrafos más arriba. Pero aun así sigue bajo el influjo del Sol.

Si la nave no hubiera encendido su sistema de propulsión iónica se habría ido alejando del Sol por su propia inercia (incluso mientras la Tierra continuaba rodeando el Sol a su ritmo), decelerándose progresivamente hasta alcanzar la cima de su arco interplanetario el 2 de Julio de 2008. Entonces, a casi 242 millones de kilómetros (150 millones de millas) del Sol y, vencida finalmente por la atracción de nuestra estrella, habría comenzado su caída hacia el interior del Sistema Solar.

Muchos residentes del sistema solar encuentran poco conveniente medir las distancias en millones de kilómetros (o de millas), por lo que es habitual usar la "unidad astronómica" (astronomical unit, AU). Esta unidad se define como la distancia media entre la Tierra y el Sol, aproximadamente 150 millones de kilómetros (93 millones de millas). De modo que Dawn habría alcanzado casi 1.62 AU de distancia al Sol sin necesidad de propulsarse.

Desde ese punto, la nave no se habría precipitado directamente hasta el Sol, convirtiéndose en una inútil llamarada; como no partió de una plataforma estacionaria sino de la Tierra, que a su vez orbita el Sol, inició su viaje con una energía suficiente como para mantenerla en una órbita como mínimo tan amplia como la Tierra. Si hubiésemos permitido que la nave continuase en su caída interplanetaria habría alcanzado una distancia de 1.00 AU el 1 de Abril de 2009. Esto equivale a decir que Dawn habría estado en una órbita solar elíptica entre 1.00 AU y 1.62 AU. Su velocidad habría sido cada vez mayor a medida que se acercaba a su mínima distancia para ir decelerándose progresivamente una vez que comenzase a alejarse de nuevo, más o menos como una persona en un columpio, que se mueve lentamente en el punto más alto, alcanza su velocidad máxima en el punto más bajo y así repetidamente. El cambio de velocidad con la distancia es una característica esencial de todas las órbitas.

Pensemos ahora otra vez en la pelota que lanzamos al aire. Si tuviese un minúsculo sistema de propulsión que la ayudara durante su viaje, este empuje adicional la llevaría más arriba, añadiéndose a la energía que le impartimos con la mano. A diferencia de un cohete, que se acelera a medida que asciende, un empuje adicional pequeño no sería capaz de contrarrestar completamente la deceleración producida por la gravedad terrestre, pero sí aumentaría la altura máxima alcanzada por la pelota antes de comenzar su descenso.

Dado que el impulso del ya famoso sistema de propulsión iónica de Dawn es muy leve pero persistente a lo largo de todo el tiempo en que Dawn se iba alejando del Sol, la nave ha sido capaz de resistirse más tiempo a su incesante atracción. En lugar de comenzar a descender a principios de Julio, el vuelo ascendente de Dawn continuó hasta el 8 de Agosto. A pesar del impulso, la nave seguía decelerándose constantemente y cuando finalmente la gravedad pudo con ella, comenzó su viaje de retorno hacia el interior del Sistema Solar. Pero para entonces el sistema de propulsión iónica había cambiado la forma de su órbita elíptica para que la caída se detuviera antes de llegar a la órbita de la Tierra. Si no se hubiese impulsado nada a partir del 8 de Agosto, la nave sólo se habría acercado a 1.16 AU del Sol, alcanzando esta distancia el 14 de Junio de 2009. Como veremos en futuros artículos, la nave no tendrá ocasión de acercarse tanto al Sol, porque el sistema de propulsión iónica continúa modificando su órbita. Además, aproximadamente el 18 de Febrero de 2009 (la fecha y hora exactas dependen de la progresión futura de la impulsión), la sonda pasará cerca de Marte y su efecto gravitacional provocará aún más cambios en la órbita de la nave alrededor del Sol, que finalmente acabará llevándola al cinturón de asteroides.

El 27 de Septiembre de 2007, aproximadamente 2 minutos después de separarse de su cohete, Dawn alcanzó su máxima velocidad de toda la misión con respecto al Sol. Por aquel entonces viajaba a unos 38.95 kilómetros por segundo (87 130 millas por hora). La Tierra (y sus residentes, incluido este reportero) se movían alrededor del Sol mucho más pausadamente, a unos 29.70 kilómetros por segundo (66 440 millas por hora).

¿Cuál ha sido entonces el efecto de la impulsión de Dawn desde entonces? El 8 de Agosto había gastado unos 55.4 kilogramos (122 libras) de xenón, un poco para los ensayos de la fase inicial de pruebas y la mayoría con el propósito específico de alterar su órbita alrededor del Sol. Si el objetivo hubiera sido simplemente acelerar la nave (tal como se describe habitualmente, tanto en este blog como en muchos otros textos) sin tener en cuenta los complicados patrones de la dinámica orbital, el efecto habría sido incrementar la velocidad de Dawn en 1.38 kilómetros por segundo (3 090 millas por hora). Pero por la forma en que trabajan las fuerzas y las velocidades en el viaje espacial, al impulsar a Dawn más lejos del Sol, permitiéndole llegar "más arriba" antes de que el Sol la obligue a volver, el sistema de propulsión iónica le ha ayudado a seguir alejándose del Sol hasta que, el 8 de Agosto, alcanzó más de 1.68 AU de separación del ombligo del sistema Solar. Para entonces su velocidad había disminuido hasta unos 20.77 kilómetros por segundo (46 460 millas por hora). En el mismo momento en que Dawn orbitaba el Sol a esta velocidad, la Tierra volaba en su órbita a una velocidad de 29.38 kilómetros por segundo (65 170 millas por hora).

Cuando Dawn inició su viaje de vuelta hacia el Sol, estaba en una parte del Sistema Solar totalmente diferente de la que habría alcanzado si no hubiese utilizado su sistema de propulsión iónica para cambiar, paciente pero persistentemente, la órbita que le imprimió el cohete Delta durante el lanzamiento. En ausencia de la propulsión iónica, la nave habría estado a 0.45 AU (68 millones de kilómetros o 42 millones de millas) de su posición real el 8 de Agosto.

Dawn llegará a Vesta en aproximadamente 3 años. Para acomodar su órbita alrededor del Sol a la del asteroide, nuestro explorador robótico tendrá que seguir ajustando sus parámetros orbitales para llegar a 2.3 AU del Sol con una velocidad de unos 20 kilómetros por segundo (45 000 millas por hora), más lejos y más despacio que su órbita actual o la de su otrora domicilio planetario.

Alcanzar una velocidad y distancia adecuadas no es suficiente para asegurar que Dawn pueda insertarse en órbita alrededor de Vesta, pero consideraremos estos otros aspectos en artículos futuros. Mientras tanto podemos pensar que el problema genérico de volar a otra parte del Sistema Solar es similar a ascender una colina. Para los montañeros terrestres la recompensa del ascenso sólo se alcanza después de realizar el trabajo de vencer la gravedad terrestre para alcanzar una elevación mayor. Del mismo modo, Dawn está realizando un ascenso por la colina del Sistema Solar, con el Sol en el fondo del valle. Comenzó a 1 AU de elevación y su primera recompensa aguarda a 2.3 AU en la misma colina, donde Vesta, que viaja aproximadamente a dos tercios de la velocidad de la Tierra, guarda celosamente sus recuerdos de los albores del Sistema Solar. Ceres está incluso más arriba en la colina, moviéndose aún más despacio para compensar una menor atracción del Sol.

Si se tratase de una escalada sin más, sería fácil detenerse en el lugar correcto de la colina del Sistema Solar. Sin embargo la analogía falla porque todos los elementos se mueven en órbitas. Con un cohete suficientemente grande, o a base de impulsos gravitacionales, no sería difícil enviar a Dawn con suficiente impulso para llegar hasta Vesta o más allá, y algunas otras naves han rebasado esa distancia por simple inercia. Pero para entrar en órbita, Dawn debe ajustarse con precisión al camino que Vesta sigue alrededor del Sol de la misma manera que los satélites de la Tierra, tanto los naturales como los artificiales, permanecen con nosotros en nuestra órbita anual. Esas es una de las razones por las que la nave necesita su propulsión iónica. El sistema de propulsión iónica no sólo permite que Dawn transporte sus instrumentos científicos pendiente arriba por esa colina, sino también "pararse" a mitad de la pendiente, sin caer de vuelta hacia el Sol ni pasarse del asteroide. Cuando un próximo artículo detalle qué otros aspectos deben coincidir, además de la distancia y la velocidad, veremos por qué es una tarea más difícil de lo que parece a primera vista. (Y dado que, con toda seguridad, tendremos un enlace desde dicho artículo a este, de parte de todos los lectores presentes enviamos un saludo desde el pasado a vosotros, lectores futuros.) Confiamos en que al lograr tan alto objetivo, siempre que Dawn mantenga su buen estado de salud, la moda en los próximos Juegos Olímpicos del Sistema Solar no será luchar por el bronce, ni por la plata ni por el oro, sino por el trofeo más preciado, la medalla de xenón.

Prometimos al principio del artículo que, para aquellos que completasen la lectura de este tedioso artículo (quizá un desafío mayor que el viaje interplanetario de Dawn), los exámenes del prestigioso Instituto Galáctico de Viajes Espaciales no tendrían mayor dificultad. La razón es simple: dicho instituto no existe, nos lo hemos inventado. Sin embargo, seguir el largo y ambicioso viaje de Dawn no requiere dominar los conceptos que acabamos de exponer. Lo único que hace falta es el deseo de aprender más acerca del cosmos, de formar parte de la aventura del género humano en la exploración de lo desconocido a medida que ponemos nuestra mira en objetivos extraordinariamente lejanos y aspiramos a descubrir algo mayor que los confines de nuestro humilde hogar en el universo.

Dawn está a 352 millones de kilómetros (219 millones de millas) de la Tierra, unas 955 veces más lejos que la Luna y 2.33 veces más lejos que el Sol. Las señales de radio, limitadas universalmente a viajar a la velocidad de la luz, tardan 39 minutos en hacer el viaje de ida y vuelta.

Dr. Marc D. Rayman
9:30 pm PDT del 24 de Agosto de 2008

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