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MISSION

Marc Rayman

Marc Rayman,
Ingeniero Jefe, JPL

Crónicas de Dawn

30 de Diciembre de 2011

Queridos Indawnstructibles,

Dawn está a punto de concluir 2011 más de 40 veces más cerca de Vesta que a principios de año. Ahora que está a la altitud más baja de toda la misión, nuestro infatigable explorador está llevando a cabo su exploración más detalladas de este mundo alienígena y continúa haciendo sorprendentes descubrimientos.

Como rodea el protoplaneta a 210 kilómetros (130 millas) de altitud, tardando en promedio en 4 horas y 21 minutos, Dawn está más cerca de la superficie que la inmensa mayoría de los satélites que orbitan alrededor de la Tierra. La órbita baja de cartografía (Low Altitude Mapping Orbit, LAMO) tiene dos objetivos científicos principales. Por medio del detector de rayos gamma y neutrones (Gamma Ray and Neutron Detector, GRaND), la sonda mide las débiles emisiones de partículas procedentes de Vesta. Algunas partículas son producto del bombardeo de los rayos cósmicos, esa radiación que atraviesa el espacio en todas direcciones, mientras que otras son emitidas durante la desintegración espontánea de elementos radiactivos. Vesta no brilla con fuerza en lo que a partículas nucleares se refiere, por lo que GRaND necesita semanas para poder medir la radiación a esta altitud. Es equivalente a usar un tiempo de exposición largo con una cámara para fotografiar una escena débilmente iluminada. Si GRaND sólo detectase la radiación, sería como si tomase una foto en blanco y negro, pero este sofisticado instrumento es capaz de mucho más. Mide la energía de cada partícula de la misma manera que una cámara puede medir el color de la luz. La energía revela la identidad de los elementos que constituyen la superficie hasta una profundidad de un metro (una yarda). El trabajo requiere mucho tiempo, pero la nave ha demostrado hasta ahora una enorme paciencia en el uso de su leve pero muy eficiente sistema de propulsión iónica que hizo posible esta misión, de manera que puede ser paciente también en la toma de estas mediciones.

El segundo motivo para descender tan abajo es estar suficientemente cerca para que las variaciones de densidad en el interior de Vesta afecten perceptiblemente a la órbita de la nave. Ya hemos visto en otros artículos que la distribución de la masa en el interior del protoplaneta se manifiesta a través de una fuerza variable de la atracción gravitatoria sobre Dawn. Unas mediciones exquisitamente precisas de la trayectoria de la nave se pueden traducir en un modelo tridimensional de la masa. En los planes para LAMO que repasamos hace un año, mencionamos que un seguimiento preciso de la nave requería que la antena principal apuntase a la Tierra. Con ello obtenemos una señal de radio suficientemente intensa para alcanzar la precisión requerida. Desde entonces, los navegantes han determinado que la señal de radio transmitida por una de las antenas auxiliares de la nave, aunque mucho más débil, también es suficiente. La antena principal transmite un haz muy delgado, mientras que las demás emiten en un ángulo mucho mayor, sacrificando intensidad de la señal por la flexibilidad en el apuntamiento.

Esto ha permitido un cambio extremadamente valioso. La nave no puede apuntar GRaND hacia la superficie mientras la antena principal apunta a la Tierra porque ambos están fijos a la nave, de la misma manera que no podemos apuntar simultáneamente la parte delantera de nuestro coche hacia el norte y la trasera hacia el este. Es decir, que en el plan original las mediciones gravitatorias y las de GRaND eran mutuamente excluyentes. Ahora, sin embargo, a medida que Dawn va girando a lo largo de su órbita para mantener a GRaND apuntando a Vesta, también puede transmitir una débil señal de radio que apenas es perceptible desde la Tierra. De este modo es posible obtener aún mejores resultados científicos en el tiempo que pasemos en LAMO.

A diferencia de la cámara científica y del espectrómetro visible e infrarojo (VIR), GRaND y las observaciones gravitatorias no dependen de que el Sol ilumine la superficie. Dawn es capaz de seguir elaborando mapas de los elementos en la superficie de Vesta y de la estructura interior incluso mientras orbita sobre un oscuro, silencioso y gélido paisaje.

La señal procedente de la antena auxiliar es justo suficiente para determinar el movimiento de la nave, pero no basta para transportar datos. Por eso la nave está programada para apuntar su antena principal a la Tierra tres veces por semana, para poder transmitir la preciosísimas observaciones de GRaND que están almacenadas en la memoria del ordenador de a bordo. Como siempre, también se transmiten durante estas sesiones de comunicación la miríada de medidas de temperatura, voltaje, corriente, presión y otros parámetros que los ingenieros necesitan para garantizar el buen estado de salud de la nave.

Aunque las fotos de Vesta tomadas desde la órbita de muestreo y desde la órbita alta de cartografía (High Altitude Mapping Orbit, HAMO) and excedido las expectativas de los científicos, no sólo en cantidad y en calidad, sino también por su fascinante contenido, los entusiastas exploradores que componen el equipo de Dawn no podían dejar pasar la oportunidad de realizar más fotos. Mientras GRaND está apuntando a la superficie, también lo está la cámara, y ya se han recogido y enviado a la Tierra más de mil imágenes que han revelado detalles tres veces más pequeños que los observados en las espectaculares imágenes de HAMO. Para los lectores que no pueden desplazarse hasta Vesta por sus propios medios, aquí pueden encontrar una selección de las mejores imágenes, cada una mostrando un aspecto diferente del sorprendente e intrigante paisaje.

Además de las fotografías de bonus, en Enero VIR empezará a realizar observaciones también. El instrumento ya ha tomado cerca de 7 millones de espectros en órbitas más altas, pero esta nueva ubicación le proporcionará una resolución mayor, igual que le sucede a la cámara.

La comunicación a ultra larga distancia entre Dawn y la Tierra requiere una tecnología extraordinaria en ambos extremos. Incluso con toda la sofisticación disponible, la cantidad de información que puede transmitirse en un tiempo determinado sigue siendo muy limitada. La distante sonda espacial envía datos a una velocidad significativamente más lenta que la de una conexión normal a Internet desde casa. Los ingenieros usan estos preciados momentos de comunicación con sumo cuidado, seleccionando juiciosamente qué información debe solicitársele a la nave. Debido a la elevada prioridad asignada a GRaND, que necesita estar apuntado hacia el suelo tanto tiempo como sea posible, la mayor parte del breve espacio de tiempo que la nave apunta a la Tierra se dedica a transmitir los descubrimientos del instrumento (y las mediciones de los subsistemas de la nave). Esto reduce mucho la cantidad de datos de la cámara y VIR que se pueden transmitir.

En el próximo artículo descubriremos otra limitación para el número de imágenes de la cámara y el número de espectros de VIR que se puede recoger en LAMO. Es la consecuencia de un aspecto diferente de los complicados procedimientos de operación en una órbita tan baja alrededor de un cuerpo masivo, las pequeñas pero irrefutables diferencias entre las órbitas predichas y las reales. Veamos la primera parte de la explicación.

Los navegantes usan la mejor información disponible sobre todas las fuerzas que actúan sobre Dawn para trazar su trayectoria. Todas ellas están relacionadas de una u otra manera con sólo tres orígenes diferentes: la gravedad, la luz y Dawn misma. Ya hemos analizado en detalle las tres con anterioridad (ved, por ejemplo, esta explicación de las dos últimas), pero vamos a repasarlas. La explicación es algo elaborada, así que recomendamos a los lectores que se sitúen en una órbita confortable. También podéis saltaros los próximos cuatro párrafos y nadie tiene por qué enterarse.

Vesta tiene un campo gravitatorio muy complicado, lo que da lugar a su vez a una órbita complicada. La nave no sigue un camino perfectamente circular y repetitivo porque la atracción gravitatoria que experimenta cambia de acuerdo con el lugar de Vesta sobre el que se encuentra mientras orbita a su alrededor y el protoplaneta gira alrededor de su eje. El mapa del campo gravitatorio ha ido mejorando desde que Dawn llegó, pero no se completará hasta que se terminen las mediciones en LAMO. Mientras tanto, seguirá habiendo detalles desconocidos que originarán pequeñas desviaciones en la órbita. El resto de los objetos del sistema solar también ejercen cierta atracción sobre la nave (de igual manera que lo hacen sobre vosotros), pero estos son más fáciles de calcular. La distancia a Dawn es tan grande que las variaciones en su campo gravitatorio resultan irrelevantes. De manera que aunque es necesario tener en cuenta el efecto de los objetos lejanos, su contribución a la discrepancia es muy pequeña.

Dawn también añade complejidad a su propia órbita. La nave cuenta con ruedas de reacción que se aceleran o deceleran para ayudarla a mantener su orientación. Estos dispositivos tienden a acelerarse con el tiempo, por lo que cada pocos días hay que decelerarlos. Este procedimiento se realiza con la ayuda del sistema de control por reacción en ciertos periodos de tiempo reservados por los controladores de la misión para este propósito. Además de proporcionar el par necesario para que la nave pueda reducir la velocidad de las ruedas, las toberas también ejercen una fuerza que modifica ligeramente la órbita.

Los principios físicos subyacentes a todos estos fenómenos que alteran la órbita de Dawn se conocen con una enorme detalle. Pero aunque se pueda estimar los valores de la multitud de parámetros involucrados, no se conocen con exactitud. Por eso la predicción de los navegantes sobre la trayectoria de la nave tiene un cierto grado de incertidumbre. Incluso su capacidad para determinar la órbita actual está sometida a una serie de pequeños errores típicos de cualquier medida física de precisión.

Por todos estos motivos, la orbita real de la nave se aparta ligeramente del plan, y las desviaciones tienden a aumentar aunque sea progresivamente. Tal y como los diseñadores esperaban, en la órbita de muestreo y en HAMO las diferencias eran suficientemente pequeñas para no afectar al complicado plan de observaciones. Los análisis que se llevaron a cabo mucho antes de que Dawn llegara a Vesta predecían que las discrepancias en LAMO serían suficientemente grandes para requerir ajustes ocasionales de la órbita. Por eso los controladores de la misión incluyeron en el plan una ventana cada semana (que resultó ser los sábados) en la que utilizarían el sistema de propulsión iónica para hacer los ajustes necesarios a la trayectoria de la nave para devolverla a la órbita planeada. Estas operaciones se conocen como "maniobras de corrección orbital" ("orbit maintenance maneuvres" en inglés), y los ingenieros, sucumbiendo a un instinto desarrollado a lo largo de su dilatada historia evolutiva, se refieren a ellas con el acrónimo OMM. (Como resulta que los miembros del equipo tiene en común una formación técnica y su pasión por la exploración del cosmos, y no el budismo, este término se emplea enumerando las letras, y no pronunciándolo como un medio para alcanzar la paz interior. En cambio, se puede considerar que nos permite obtener tranquilidad y armonía orbital.)

La fase de LAMO comenzó el 12 de diciembre, y las OMMs han tenido lugar el 17 y el 24 de diciembre. A diferencia de los largos periodos de impulsión necesarios en otras fases de la misión, la correcciones necesarias fueron tan pequeñas que cada OMM duró menos de 15 minutos. El susurro del impulsor modificó la velocidad de la nave en menos de cinco centímetros por segundo (la décima parte de 1 mph). Pero fue suficiente para darle a Dawn un empujoncito de vuelta a la órbita planeada.

La nave estaba tan cerca del rumbo designado que las OMMs del 31 de diciembre y el 7 de enero se han cancelado. Al no tener que realizar las OMMs, la sonda puede pasar más tiempo capturando neutrones y rayos gamma procedentes de Vesta. El equipo de operaciones ha invertido provechosamente el tiempo que se han ahorrado del diseño, verificación y ejecución de las OMMs en otras tareas que aseguren el desarrollo productivo y sin sobresaltos de esta fase.

En el artículo anterior hablamos de la complejidad de la espiral descendente que nos llevó de HAMO a LAMO, entonces aún en marcha. El vuelo requería no sólo reducir la altitud de 680 kilómetros (420 millas) a 210 kilómetros (130 millas), sino también hacer girar el plano de la órbita de Dawn alrededor de Vesta. De igual manera que todos los cuerpos que orbitan alrededor de otro, ya sea Vesta, la Tierra, o el sol, cuanto más baja es la órbita más corto es el periodo orbital. El abrazo gravitatorio de Vesta se hizo más fuerte a medida que Dawn se acercaba, obligando a la nave a trazar órbitas más rápidas a su alrededor. Esto significó que, mientras la sonda ejecutaba la intrincada coreografía que le permitio alinear su propulsor iónico con la dirección necesaria para cambiar su órbita, cada vez tenía que realizar sus piruetas más rápidamente.

Cuando los ingenieros ordenan que Dawn gire, normalmente le indican quelo haga a la velocidad, un tanto señorial, del minutero del reloj. Es posible que a veces la nave tenga que girar algo más rápido si necesita pivotar sobre sí misma para mantener sus paneles solares orientados hacia el sol durante esta maniobra. En algunas ocasiones la nave sabe que, una vez concluido el giro tendrá que iniciar uno nuevo. Por ejemplo, puede que necesite girar para iniciar una sesión de propulsión iónica. Pero mientras se está impulsando y modificando la curvatura de su órbita, suele tener que inclinar el impulsor para completar la maniobra. Como consecuencia de esto, nuestro explorador robótico puede decidirse a girar con una velocidad ligeramente diferente de lo que el equipo humano le ha ordenado con el objetivo de realizar una transición suave entre el primer y el segundo giro.

El 3 de diciembre, mientras se preparaba para uno de los últimos segmentos de impulsión necesarios para alcanzar LAMO, la combinación de todos estos factores hizo que la nave rotara algo más rápido de lo habitual. Esto llevó a una discrepancia temporal entre el apuntamiento real y el programado. Cuando el software de protección detectó la inconsistencia, interrumpió las actividades que estaban en marcha y puso la nave en modo seguro.

Cuando la Red de Espacio Profundo recibió la señal de modo seguro, el equipo de operaciones respondió con su calma habitual. Enseguida determinaron que Dawn no había sufrido daños, diagnosticaron la causa de la entrada en modo seguro y comenzaron a enviar instrucciones para que la nave volviera a su configuración normal de operación. Además, diseñaron un nuevo perfil de vuelo que compensase el tiempo perdido de propulsión. Finalmente, el equipo también determinó cómo evitar una repetición del mismo problema en maniobras sucesivas. Y mientras hacían todo esto, también estaban dando los últimos retoques a las primeras secuencias de la fase de observación científica en LAMO. Los controladores de la misión completaron estas tareas a la perfección e incluso consiguieron mantener el calendario, permitiendo que LAMO comenzase el 12 de Diciembre.

Ya describimos en algunos artículos en 2010 el plan general de Dawn, que constaba de tres meses en aproximación y un año en órbita. El tiempo disponible se repartió entre las diferentes fases científicas y de trasferencia de modos que se garantizara una exploración exhaustiva y compensada de este misterioso y fascinante mundo. Plenamente conscientes de los problemas que pueden aparecen de improviso en una empresa de esta envergadura, los planificadores de la misión se emplearon a fondo para diseñar un itinerario que dejase 40 días sin asignar. La estrategia se basaba en ir restando de este margen a medida que fuera necesario recuperarse de las anomalías que se produjesen y así no poner en peligro otras actividades ya programadas. También contaban con que añadir a LAMO todos los días no asignados que quedasen al final.

Para gran delicia (y, admitámoslo, también sorpresa) de todos, no fue necesario emplear ni uno solo de los 40 días de reserva. Aunque de hecho ha habido dificultades imprevistas desde el inicio de la aproximación el 3 de Mayo hasta el día de hoy, el equipo ha conseguido resolverlas todas sin tener que retirar fondos de esa cuenta de reserva. Este hecho es asombroso, especialmente teniendo en cuenta que Dawn es el primer visitante de la Tierra que se acerca a Vesta, lo cual supone que muchas propiedades físicas eran desconocidas inicialmente. Esta es la primera expedición de la historia en la que la humanidad ha enviado una nave a orbitar un cuerpo de estas dimensiones sin llevar a cabo antes un reconocimiento previo con el sobrevuelo de otra nave. Dawn ha mantenido el paso veloz en la investigación de su enigmático objetivo. Era muy improbable que pudieran llevar a cabo una exploración tan exitosa sin tener que recurrir para nada a la reserva que se habían permitido. Y sin embargo ahí están los 40 días intactos.

Aún quedan por delante semanas de ambiciosas operaciones, el resto de LAMO, la espiral ascendente hacia HAMO2, las observaciones en HAMO2 y finalmente la partida en Julio para dar comienzo a largo crucero interplanetario que nos permitirá llegar a Ceres, si todo sale según lo previsto, en febrero de 2015. A lo largo de 2012 veremos que cada una de estas fases supone nuevos desafíos, y no cabe duda de que con ello aparecerán también nuevos problemas. En cualquier caso, los 40 días de margen se utilizarán para extender LAMO. Por consiguiente, nuestro indómito explorador permanecerá en su órbita más baja hasta finales de Marzo, mientras sigue desvelando trabajosamente los misterios de los albores del sistema solar y llevando a cabo sorprendentes y emocionantes descubrimientos en representación de todos lo que, desde la lejana Tierra, miran hacia la inmensidad del espacio intentando abarcarlo.

Dawn está a 210 kilómetros (130 millas) de Vesta. También está a 2.79 UA (418 millones de kilómetros o 260 millones de millas) de la Tierra, o unas 1045 veces más lejos que la Luna y 2.84 veces más lejos que el Sol. Las señales de radio, limitadas universalmente a viajar a la velocidad de la luz, tardan 46 minutos en hacer el viaje de ida y vuelta.

Dr. Marc D. Rayman
6:00 p.m. PST del 30 de Diciembre de 2011

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