Año 19 Número 73 – Junio 2021
Por Emiliano Rasztocky
La ambiciosa misión JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer) de la Agencia Espacial Europea (ESA) se encuentra pronta a comenzar la etapa de integración y testeos de la instrumentación. Su lanzamiento está previsto para junio del año próximo.
Figura 1: La llegada de JUICE a la sala limpia de ESTEC (European Space Research and Technology Centre) en mayo pasado, donde a partir del segundo semestre del año, comenzarán a integrarse los instrumentos de la misión. Créditos ESA.
JUICE está llamada a ser la misión que proporcionará la exploración más completa hasta la fecha del sistema joviano en toda su complejidad, con particular énfasis en Ganímedes como cuerpo planetario y hábitat potencial. Las investigaciones de las lunas vecinas, Europa y Calisto, completarán una imagen comparativa de las condiciones ambientales en las lunas galileanas y su habitabilidad potencial.
Imágenes tomadas por misiones espaciales anteriores han revelado que Io, Europa, Ganímides y Calisto son muy distintas entre sí; Io, de naturaleza volcánica, tiene el menor contenido de agua de todos los cuerpos del sistema solar. En cambio, Europa, Ganímedes y Calisto parecen albergar océanos líquidos subterráneos y condiciones favorables para el desarrollo de la vida.
JUICE proporcionará una caracterización comparativa de las superficies, sub-superficies, océanos interiores, exosferas tenues e interacciones de los satélites galileanos con la gigante magnetosfera de Júpiter; la misión brindará una visión completa de las condiciones habitables en el sistema joviano como paradigma de los sistemas planetarios gigantes en toda nuestra galaxia, contribuyendo a una mejor comprensión de los orígenes de nuestro sistema solar. La misión extenderá y complementará el estudio y conocimiento del sistema solar exterior al que tuvimos acceso a través de misiones como Cassini del sistema de Saturno, y las exploraciones de Galileo y Juno de Júpiter y su sistema.
Planeado su lanzamiento para junio de 2022, JUICE se insertará orbitalmente con Júpiter en enero de 2030, donde comenzará a realizar estudios a través de sobrevuelos en Calisto, Europa, y el propio Júpiter. En septiembre de 2032 se espera que la transferencia orbital hacia Ganímedes este completa; JUICE sobrevolará y estudiará esta luna hasta el final de la misión nominal, en junio de 2033.
Figura 2: Una representación de JUICE sobrevolando la luna Europa.
Créditos: ESA
Diez son los instrumentos que serán integrados a JUICE y que realizarán distintos estudios científicos:
- JANUS (Imaging System): un sistema de cámara óptica que estudiará características y procesos globales, regionales y locales en las lunas, y mapeará las nubes de Júpiter. Tendrá una resolución de hasta 2,4 m en Ganímedes y unos 10 km en Júpiter.
- MAJIS (Visible-IR Imaging Spectrometer): es el espectrómetro de imágenes para Júpiter y sus lunas. Observará las características de las nubes y los componentes atmosféricos en Júpiter, y caracterizará los hielos y minerales en las superficies heladas de las lunas.
- UVS (UV Spectrograph): es un espectrógrafo de imágenes ultra violeta para caracterizar la composición y dinámica de las exosferas de las lunas heladas, estudiar las auroras jovianas e investigar la composición y estructura de la atmósfera superior del planeta.
- SWI (Sub-millimeter Wave Instrument): el instrumento de onda submilimétrica, investigará la estructura, la temperatura, la composición y la dinámica de la atmósfera de Júpiter, y las exosferas y superficies de las lunas heladas.
- J-MAG (Magnetometer): es un magnetómetro equipado con sensores para caracterizar el campo magnético joviano y su interacción con el de Ganímedes. Se utilizará también para estudiar los océanos subsuperficiales de las lunas heladas.
- RPWI (Radio and Plasma Wave Instrument): este instrumento caracterizará el plasma en el ambiente de Júpiter y sus lunas heladas, como así también la emisión de radio, para lo cual utilizará un conjunto de sensores y sondas.
- PEP (Particle Environmental Package): es un paquete de sensores diseñado para caracterizar el entorno de plasma del sistema de Júpiter.
- GALA (Laser Altimeter): acrónimo que en inglés significa “altímetro láser para Ganímedes”, estudiará la deformación de las mareas de Ganímedes y la topografía de las superficies de las lunas heladas.
- RIME (Ice Penetrating Radar): es un radar que permitirá estudiar la estructura del subsuelo de las lunas heladas; la señal del radar tendrá un poder de penetración de hasta 9 kilómetros por debajo de la superficie de hielo lunar.
- 3GM (Radio Science Experiment): o Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons, es un paquete de radio que comprende el KaT (transpondedor Ka), USO (oscilador ultraestable) y HAA (acelerómetro de alta precisión). Este conjunto de instrumentos estudiará el campo gravitatorio en Ganímedes, la extensión de los océanos internos en las lunas heladas, la estructura de la atmósfera neutra y la ionosfera de Júpiter y sus lunas.
La misión también llevará a cabo un Experimento Doppler y Radio Interferómetro Planetario (PRIDE), que utilizará el sistema de telecomunicaciones estándar de la nave espacial, junto con radiotelescopios en la Tierra para realizar mediciones precisas de la posición y velocidad de la nave espacial para investigar los campos de gravedad de Júpiter y las lunas heladas.
Figura 3: La nave JUICE y sus instrumentos científicos. Créditos: ESA
Desde el año pasado, el IAR colabora con la misión JUICE. Más específicamente, quien escribe ha estado participando en el desarrollo del instrumento SWI. A continuación, pues, describiré las características principales del instrumento y las tareas que he realizado como también los planes futuros.
El SWI es un radiómetro/espectrómetro que consiste básicamente en una antena con arreglo tipo Cassegrain en offset, en la cual la señal electromagnética recibida desde el espacio (u objeto celeste en este caso) es reflejada y enfocada hacia el sistema de recepción mediante un par de reflectores cónicos. En la configuración Cassegrain estos reflectores son un paraboloide (con un diámetro de 29 cm. para SWI) y un hiperboloide para los reflectores primario y secundario respectivamente.
Figura 4: Modelo 3D del SWI. Créditos: Optical Design and Analysis of the Submillimeter-Wave Instrument on JUICE [Mikko Kotiranta et al., 2018]
En SWI, la señal luego de ser reflejada por el sistema Cassegrain, es enfocada hacia el interior del instrumento en el cual, un nuevo sistema de reflectores conjuntamente con un separador de haz (beam-splitter), desvía y reenfoca la señal hacia sus dos receptores; éstos están diseñados para realizar medición de espectro y continuo en las bandas comprendidas entre 530–625 y 1080-1275 GHz (alrededor de 255 y 530 μm de longitud de onda).
Figura 5: Camino óptico del SWI. Créditos: Optical Design and Analysis of the Submillimeter-Wave Instrument on JUICE [Mikko Kotiranta et al., 2018]
Un movimiento de rotación sobre el eje óptico del reflector primario M1 de +- 72º, conjuntamente con una inclinación del conjunto Cassegrain (M1 y M2) respecto a la base del instrumento de +- 4.3º, confieren a SWI un extraordinario campo de visión (field of view) de 144×8.6º.
Entre noviembre de 2020 y enero de 2021, tuve la oportunidad de realizar una estadía en el Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) de Gottingen, Alemania. En este prestigioso instituto se han desarrollado la mayor parte del diseño y fabricación de SWI y, actualmente, se están ejecutando las actividades de la fase AIV (ver más adelante en la nota). Durante la estadía en el MPS, comencé a realizar el diseño de varios componentes y sub-componentes mecánicos así como también los procedimientos de ejecución y control necesarios para alguno de los numerosos tests a los que debe ser sometido el SWI durante la etapa de AIV previo al commissioning (comisión) del instrumento al Spacecraft. AIV, siglas de Assemby, Integration and Verification, es la etapa en la vida de desarrollo de un producto en la cual principalmente:
- Se integran y ensamblan los componentes, sub-sistemas y sistemas, verificando que se cumplan los requisitos funcionales y de desempeño.
- Se verifica que los subsistemas y sistemas funcionen según las especificaciones.
En proyectos donde los productos o procesos objeto de desarrollo son pioneros o únicos en su concepción, se emplean, mayormente, procesos y metodologías de diseño y fabricación que suelen estar en la frontera del conocimiento tecnológico/intelectual, o estado del arte. Es necesario, pues, desarrollar procedimientos y metodologías de testeo muy específicos que permitan verificar y validar si los requerimientos del diseño han sido alcanzados.
En particular, he participado en el diseño de varios de los componentes mecánicos que se están utilizando en el test de medición de campo cercano (Near Field Test); los tests se están realizando en las instalaciones de ESTEC, Holanda, y permitirán caracterizar y validar el patrón del haz radiométrico de SWI.
Figura 6: Inspección del SWI en el interior de la cámara de vacío en ESTEC previo al comienzo de testeo de campo cercano.
También he desarrollado el diseño completo de la carga fría y su procedimiento de alineación con el SWI una vez que esté instalado en el spacecraft. La carga fría“ no es más que un cuerpo a temperatura criogénica constante (en este caso una serie de placas de material absorbente de radiación sumergido en nitrógeno líquido) el cual se aproxima bastante al comportamiento térmico de un cuerpo negro. Un cuerpo negro en equilibrio térmico emite (y absorbe) una cantidad de radiación que es perfectamente conocida según la ley de Planck y que se conoce como radiación de cuerpo negro.
Esta carga fría será utilizada como fuente de radiación durante el test end to end a nivel de spacecraft a ser realizado entre septiembre y octubre de 2021 en las instalaciones de Airbus en el suroeste de Alemania. El test end to end sobre el spaceraft es la última verificación que se practicará al SWI para constatar que toda la cadena de detección y medición, así como su electrónica asociada, se encuentran perfectamente operativas, previo al lanzamiento de la nave hacia su encuentro con Júpiter y sus lunas heladas.
Figura 7: Diseño conceptual de alineación de carga fría y el instrumento a nivel de spacecraft.
Figura 8: El salón de recepción del MPS (arriba). Testeos de integración de SWI (abajo).
Sobre el autor
Emiliano Rasztocky es ingeniero mecánico. Trabaja en el IAR desde 2013, y se desempeña como Jefe del Departamento de Electromecánica desde 2017. Es responsable además del Assembly Integration and Verification (AIV) del sistema óptico del radiotelescopio del Proyecto LLAMA y de la integración y testeo del instrumento cosmológico QUBIC (2021). Es actualmente doctorando en la carrera de ingeniería con el siguiente trabajo: Estudio y diseño opto mecánico del sistema óptico de acoplamiento de un radiotelescopio submilimétrico.
Agradecimientos
Al ingeniero Juan Pablo García, Project Manager de Sub-Millimeter Wave Instrument (SWI), por la invitación a participar en un proyecto tan desafiante y exigente como son los del área espacial en general, y la etapa de AIV en particular; y a las autoridades del IAR y en particular a su Director, el Dr. Gustavo Romero, por la confianza y apoyo otorgado para llevar adelante con éxito tamaño desafío.