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Dawn Mission: Mission > Crónicas de Dawn: 28 de Diciembre de 2006

MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

28 de Diciembre de 2006

Queridos Aņos Dawnuevos,

La nave Dawn ya tiene su propósito de año nuevo: abandonar la Tierra en 2007 y embarcarse en un viaje celestial de aventura y descubrimiento. (En realidad, era eso o pasar más tiempo con la familia y los amigos. Aunque todos apreciamos a Dawn, creo que podemos alegrarnos de la decisión que ha tomado.) La nave va por el buen camino para conseguir su objetivo.

A lo largo de los últimos meses Dawn ha completado los exigentes ensayos ambientales que tenía que superar en Orbital Sciences Corporation. En el último artículo ya vimos por qué estos ensayos son tan importantes. Desde entonces, Dawn ha sido sometido a giros, vibraciones y potentes ondas sonoras, seguidos de cuidadosas comprobaciones para verificar que puede soportar estas agresiones y seguir operando según lo planeado.

Una de las pruebas incluía montar Dawn en la estructura que la anclará a la etapa superior del cohete Delta II 7925H-9.5, que será esencial para su propósito de Año Nuevo. Entre otros objetivos este ensayo pretendía demostrar que la nave y el cohete, aunque han sido construidos por separado, encajarán cuando se encuentren en Cabo Cañaveral en Junio. Además, este ensayo permitirá someter a Dawn a otra condición particular que la nave encontrará en su misión. Después de agotar el combustible de la tercera (y última) etapa, el cohete Delta soltará el firme abrazo que retiene a la nave. El encendido del mecanismo de suelta, al liberarla para que pueda operar en el espacio a su libre albedrío, producirá una sacudida (física sin duda, quizá también emocional) que se propagará a través de la nave. La resistencia a esta sacudida forma parte de la batería de pruebas que la nave acaba de superar. En línea con su registro intachable, Dawn aprobó con amplitud el examen, demostrando que puede tolerar la sacudida y separarse limpiamente, sin que ninguna estructura le impida alejarse del lanzador.

Después de estos ensayos se extendieron los dos enormes paneles solares para permitir a los ingenieros poner a prueba el sistema de despliegue y verificar el estado de salud de las delicadas células. Cada panel tiene una longitud de 8.3 metros (más de 27 pies) y pesa casi 63 kg (139 libras). El sistema no se diseñó para ser capaz de soportarlos en la elevada gravedad terrestre; por supuesto, cuando Dawn se encuentre en su entorno natural, sin gravedad, los paneles no estarán sometidos a esta fuerza. Para poder trabajar en las exóticas condiciones con que contamos en la superficie de nuestro planeta, se erigió una estructura especial que soporta el peso de los paneles y sin embargo les permite desplegarse suavemente. Después de los ensayos, se retiraron los paneles, que no se volverán a instalar hasta que la nave esté en Florida.

Ahora Dawn se está preparando para abandonar definitivamente Orbital Sciences Corporation en Dulles, Virginia. El mes que viene se trasladará al Laboratorio de Investigación Naval (Naval Research Lab, NRL) en Washington DC para la última fase de ensayos ambientales, que tendrá lugar en una cámara de vacío. Orbital cuenta con una cámara de vacío que podría acoger a la nave (ved la descripción en el artículo de Julio de 2006), pero la próxima serie de ensayos incluye un breve encendido de los propulsores iónicos, lo cual requiere un sistema de vacío diferente. Como NRL dispone del equipamiento necesario y está cerca de Orbital, era la elección más obvia para llevar a cabo este trabajo. Dawn permanecerá unos tres meses allí y el próximo artículo narrará estas actividades, incluida la operación del sistema de propulsión iónica.

Algunos de los más devotos lectores han solicitado más información sobre la propulsión iónica. Este es sólo uno de los importantes subsistemas de abordo (podéis encontrar una visión general de los sistemas y subsistemas y su importancia relativa en los artículos del 17 de Septiembre de 2006 y del 29 de Octubre de 2006) y Dawn dependerá de todos ellos para poder explorar los lejanos y desconocidos mundos de Ceres y Vesta. A lo largo de los años de la misión tendremos ocasión de aprender muchísimo más acerca de la ingeniería y la ciencia ligadas a esta aventura excepcional, pero comenzaremos en este artículo y seguiremos en el próximo con una primera mirada en detalle al sistema de propulsión iónica.

Aunque la mayor parte de nuestra audiencia, por supuesto, ya conoce este tema, no debemos olvidar que las hordas de nuestros lectores se extienden hasta sistemas planetarios que apenas han tenido experiencia con esta tecnología, y es a ellos a quienes va dirigido este material. Por sorprendente que parezca, hay incluso varios lectores que no siguieron la misión Deep Space 1 (DS1) de NASA, que puso a prueba la propulsión iónica y otras tecnologías de alto riesgo para ahorrar a las misiones posteriores los riesgos y los costes de ser los primeros en usar sistemas tan avanzados. Dawn es uno de los beneficiarios de DS1, ya que es la primera nave espacial construida para orbitar dos cuerpos celestes después de abandonar la Tierra, y esto sería virtualmente imposible sin un motor iónico.

La propulsión iónica estaba sólidamente fundada en principios físicos conocidos, pero a pesar de ciertos progresos científicos e ingenieriles, estaba bastante restringida a los universos ficticios de Star Trek, la Guerra de las Galaxias y otras producciones del mismo estilo. DS1 permitió trasladar la propulsión iónica del dominio de la ciencia ficción al de la ciencia real.

Recordemos en primer lugar cómo funciona un sistema de propulsión en general. La mayoría de los sistemas utilizan presiones o temperaturas elevadas para impulsar un gas a través de la tobera de un motor cohete. La acción del gas al dejar la tobera produce una reacción que empuja la nave en sentido contrario. Este efecto es el que origina que un globo salga volando cuando se deja la boquilla abierta y la tensión en la goma expulsa el aire. La propulsión iónica funciona de la misma manera, pero utiliza un método bien distinto para impulsar el gas.

Como propelente se utiliza el gas noble xenón, que es parecido al helio o al neón, pero más pesado. La composición del xenón es sencilla: cada átomo consta de un minúsculo núcleo muy denso rodeado por una nube de electrones. El núcleo está compuesto por 54 protones, cargados positivamente, y unos 76 neutrones, que no tienen carga. (El gas xenón es una mezcla de 9 isótopos, lo que significa que hay 9 valores diferentes para el número de neutrones. Desde un mínimo de 70 hasta un máximo de 82, el número de electrones apenas afecta al comportamiento de los átomos.) Las 54 cargas positivas del núcleo se equilibran exactamente con 54 electrones, cargados negativamente, lo que determina la neutralidad eléctrica del átomo – hasta que entra en funcionamiento el sistema de propulsión iónica.

En el interior del propulsor iónico, un haz de electrones similar a los que iluminan la pantalla de una televisión bombardea los átomos de xenón. Cuando este haz arranca un electrón de un átomo, el resultado es un átomo descompensado eléctricamente: 54 cargas positivas y 53 negativas. Con una carga eléctrica neta de 1 unidad, el átomo se denomina “ión”. A causa de su carga eléctrica, el ión de xenón es sensible a los efectos de los campos eléctricos, que se producen simplemente mediante un voltaje. Por eso el impulsor genera más de 1000 voltios para acelerar los iones de xenón, lanzándolos a velocidades que superan los 40 kilómetros por segundo (89 000 millas por hora). Cada ión, por minúsculo que pueda parecer, también empuja el motor al salir y es esta fuerza de reacción la que impulsa a la nave. Los iones salen del motor iónico unas 10 veces más rápido que los propelentes de los cohetes de una nave espacial típica, y esta es la fuente de la extraordinaria eficiencia de los motores iónicos.

A igualdad de todos los demás parámetros y para la misma cantidad de propelente, una nave equipada con propulsión iónica puede alcanzar 10 veces la velocidad de una nave con propulsión convencional, o lo que es lo mismo, una nave con propulsión iónica puede llevar muchísimo menos propelente para realizar el mismo trabajo que otra nave que use propulsión convencional. Esto se traduce en una mayor capacidad de NASA para emprender misiones extremadamente ambiciosas como Dawn.

El gasto de xenón que se emplea en el motor iónico es muy reducido. En condiciones de máximo empuje, el sistema sólo ioniza unos 3.25 miligramos por segundo, de manera que 24 horas de impulsión continua solo suponen 10 onzas (283 gramos) de xenón. Como el xenón se consume tan despacio, el impulso correspondiente es muy suave. El motor principal de algunas naves interplanetarias puede producir empujes 10 000 veces mayores pero, por supuesto, esos sistemas tiene un consumo tan elevado que su velocidad final está muy limitada.

La fuerza del propulsor iónico de la nave es comparable al peso de una única hoja de papel. He aquí un experimento de propulsión iónica que podemos llevar a cabo en casa sin peligro: colocad una hoja de papel sobre la palma de vuestra mano y sentiréis una fuerza igual a la que produce el motor iónico. Gracias a la enorme eficiencia del combustible, el propulsor puede mantener su empuje no sólo unos minutos como la mayoría de los motores, sino meses e incluso años. En las condiciones de vuelo interplanetario, sin peso ni fricción, el efecto de la propulsión se va acumulado gradualmente imprimiendo a la nave una enorme velocidad. El motor iónico proporciona la aceleración con calma.

A lo largo de toda su misión Dawn se mantendrá más alejada del Sol que la Tierra, pero mientras no se aleje más del doble de distancia los enormes paneles solares seguirán produciendo suficiente potencia eléctrica para mantener el sistema de propulsión iónica a máximo empuje. En estas condiciones la aceleración será equivalente a unos 7 metros por segundo o 15 millas por hora cada día: todo un día de impulsión aumentará la velocidad de la nave en 15 mph. Esto equivale a acelerar de 0 a 60 mph en 4 días. No cabe duda de que estas cifras no nos hacen pensar exactamente en un coche de carreras, pero el bajísimo consumo de xenón permite que el impulsor siga trabajando mucho más de 4 días.

Para poner estos datos en perspectiva, consideremos brevemente un modelo muy simplificado de las memorables sondas que NASA tiene actualmente en órbita alrededor de Marte. En el momento de su llegada al planeta, estas sondas tuvieron que encender sus motores para insertarse en órbita. Aunque cada misión es diferente una maniobra de este tipo puede requerir un cambio de velocidad de unos 1000 metros por segundo (2200 millas por hora), lo que supone un consumo de unos 300 kilogramos (660 libras) de propelente. Con su sistema de propulsión iónica, Dawn podría producir el mismo cambio de velocidad con menos de 30 kilogramos de xenón. Una misión típica a Marte completa esta maniobra en menos de 25 minutos, mientras que Dawn necesitaría 3 meses. Si tenemos paciencia, la propulsión iónica puede ser muy efectiva. Ahora bien, para muchas misiones la complejidad y el coste adicionales asociados a la propulsión iónica es innecesaria y es evidente que podemos poner una nave en órbita alrededor de Marte con propulsión convencional. Pero a medida que la humanidad se embarca en misiones más y más ambiciosas en el espacio profundo, expandiendo nuestras fronteras, descubriendo paisajes antes inalcanzables y buscando respuestas a preguntas nuevas y más interesantes acerca el cosmos, las excelentes prestaciones de la propulsión iónica la irán convirtiendo en un ingrediente esencial.

Cuando concluya su misión, después de operar tanto a máximo empuje como a empujes mucho menores cuando Dawn se encuentre más lejos del sol, la nave habrá acumulado más de 5 años de tiempo total de impulsión, lo que le habrá proporcionado un cambio efectivo de velocidad de 11 kilómetros por segundo, más de 24 000 millas por hora. Esto es aproximadamente lo mismo que proporciona todo el cohete Delta, con sus 9 cohetes de combustible sólido, primera etapa, segunda etapa y tercera etapa, y excede con creces los logros de cualquier nave de una sola etapa.

En el próximo artículo veremos cómo la misión Dawn hace uso del sistema de propulsión iónica y cómo utiliza un perfil de vuelo diferente al de la mayoría de las misiones interplanetarias. Mientras tanto, la nave empleará tecnologías de transporte más convencionales para viajar hasta NRL para una rigurosa campaña de ensayos que la prepararán para la arriesgada misión que se ha propuesto comenzar en 2007.

Dr. Marc D. Rayman
28 de Diciembre de 2006

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