Los retos de los Voyager y los desarrollos tecnológicos - Jose Manuel Urech Ribera

6.3

Los retos de los Voyager y los desarrollos tecnológicos.

Historias de viajeros.

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Recuerdo mi inolvidable contacto con Carl Sagan en 1972. La estación NASA en Cebreros, y yo como director, asumimos la responsabilidad de la primera inyección en órbita en otro planeta, Mariner 9 en Marte, éxito histórico que meses después presentaría Sagan en el COSPAR Meeting de Madrid.

Habiendo trabajado para NASA en la exploración del Sistema Solar desde casi el principio (1), resultaba difícil elegir entre tantas misiones, pero me centraré en Voyager, donde participé y pude aportar ideas. Teniendo en cuenta las limitaciones de texto y que esos descubrimientos en los cuatro planetas gigantes son de dominio público, en este artículo me limitaré a aspectos técnicos muy importantes, pero menos conocidos.

En los años 60, en plena exploración lunar y primeros intentos de visitar los planetas vecinos, alguien se planteó la posibilidad de viajar a los 4 planetas gigantes, pero los cohetes lanzadores solo podrían alcanzar la distancia de Júpiter. Esta aproximación cambió gracias a dos precursores: Michael Minovitch y Gary Flandro. Minovitch, matemático becario de JPL (Jet Propulsion Laboratory en Pasadena California, dependiente del Caltech y dedicado por NASA para la exploración del Sistema Solar) en 1961, planteó la “asistencia gravitatoria” por la que un objeto al pasar cerca de un astro, debido a la atracción gravitatoria, experimenta una desviación de su trayectoria, y un impulso en magnitud y dirección proporcional a la velocidad orbital de dicho astro. Aunque pasó desapercibido para la mayoría de los expertos de la época, otro becario de verano, Gary Flandro, ingeniero, retomó el trabajo de Michael, estudiando la viabilidad de visitar los planetas gigantes sin gastar combustible, mediante una “carambola gravitatoria” que podría realizarse a finales de los años 70 por un alineamiento planetario que solo se repite cada 176 años. Así nació el proyecto Grand Tour, finalmente nombrado proyecto Voyager. Dos naves gemelas se lanzarían en 1977 hacia Júpiter y Saturno; si la primera cumplía las expectativas, se intentaría que la segunda continuara a Urano y Neptuno.

El reto parecía abordable, pero había que superar el gran cinturón de asteroides entre las órbitas de Marte y Júpiter. Para asegurar la misión, NASA lanzó en el 72 y 73, como avanzadilla, dos naves ligeras y rápidas, Pioneer 10 y 11, que cruzaron el cinturón en 7 meses de suspense. Los Voyager lo hicieron años después, también con suspense, aunque se sabía que la posibilidad de impacto catastrófico era pequeña, pero no nula.

Explorar a esas inmensas distancias exige navegar con enorme precisión, y requiere conocer en todo momento la trayectoria real de la nave. Para determinarla se combinan la medición continua de la velocidad con la medida esporádica de la distancia. La primera se obtiene comparando la señal transmitida con la de vuelta, ya que la variación de frecuencia por efecto Doppler es proporcional a la velocidad radial. La segunda se consigue con un equipo, el Planetary Ranging, que mide el tiempo que tarda la señal en ir y volver, enviando unos códigos pseudoaleatorios y comparando con los que devuelve la nave. La tremenda resolución que se consigue, de 1mm/s a velocidades de unos 30km/s y 1m a miles de millones de km, es gracias a un equipo patrón de frecuencias y tiempo (vulgarmente conocido como reloj atómico), el Máser de Hidrógeno con una precisión y estabilidad, que no variaría un segundo en 30 millones de años, y sincronizado con el resto de la red en varios nanosegundos. Además, calibramos el medio de propagación atmosférico para compensar pequeñas perturbaciones. En la aproximación final al objetivo se emplean medios fotográficos de las naves para mejorar aún más la precisión.

Otro reto es la energía para la nave, ya que la iluminación solar se atenúa con el cuadrado de la distancia. En Saturno es una centésima de la que tenemos en la Tierra y necesitaríamos paneles solares 100 veces mayores que en órbita terrestre para alimentar las naves. Para el programa Voyager se desarrollaron unos generadores térmicos de radioisótopos (RTG), con plutonio 238, en que el calor producido en su lenta desintegración se convierte en electricidad mediante termopares.  Aunque su capacidad va disminuyendo, ha permitido que los Voyager, 40 años después de su lanzamiento y ya en el medio interestelar, sigan en contacto con Tierra a unos 22.000 millones de Km.

Todo lo anterior sería inútil si las naves no comunican a Tierra, sus descubrimientos y el estado del equipo, y reciben las órdenes necesarias para programar sus actividades. Para ello NASA tiene 3 complejos de grandes antenas, en California, Australia y España (cerca de Madrid), que permiten mantener el contacto a pesar de la rotación terrestre. En el primer viaje a Marte, 1965, el Mariner IV enviaba datos a 8 bps y las fotos de poca calidad tardaban 8 horas en bajar, pero 14 años después, los Voyager desde Júpiter, mucho más lejos, transmitían gran cantidad de fantásticas imágenes a 120 Kbps (15000 veces más rápido).

En primer lugar, se equipó las naves con grandes antenas parabólicas de 3,7 m de diámetro (limitadas por el tamaño del cohete lanzador Atlas Centauro) que concentran la señal hacia Tierra. Además, las estaciones receptoras pasaron de utilizar antenas de 26m a una nueva de 64m de diámetro con un área de captura seis veces mayor. Pero esto no sería suficiente, pues la señal recibida es extremadamente débil, unos 10^-20 watios, comparable con el nivel de ruido térmico, proporcional a la temperatura absoluta del sistema receptor. Para reducir el ruido al mínimo se utilizan amplificadores Maser con helio líquido a 4K (-269ºC). La relación Señal Ruido marca la capacidad o el límite de la comunicación. Reducir el ruido, también proporcional al ancho de banda necesario para pasar los datos, estrechando esa banda, implica limitar la cantidad de datos transmitidos.

           Al principio se utilizaban códigos detectores de error, añadiendo bits de paridad a los datos (lo mismo que la letra del DNI con respecto al número). Si el ruido produce algún error, la paridad no se cumple y se descarta el dato. Pero el enorme avance vino del mundo matemático, introduciendo códigos correctores de error, transmitiendo una serie mayor de símbolos que son función de los bits de entrada según un algoritmo lógico predeterminado.  Los Voyager finalmente optaron por un código convolucional corto con decodificador de Viterbi (2), que supuso una importante mejora en la comunicación, multiplicando por 4 la velocidad de transmisión y por tanto la cantidad de datos. Las pruebas de evaluación las realizamos en Madrid, aportando algunas modificaciones para medir la calidad de los datos en tiempo real. A mediados de los 80, antes de llegar a Urano, se aplicó una naciente tecnología, la compresión de datos, que mediante algoritmos permite descartar información parcialmente redundante, transmitiendo solo parte significativa y mandar más datos por unidad de tiempo. Eso es hoy de uso generalizado en imágenes, sonido o video comprimidos (formatos JPG, MP3, MP4 y otros).

Dentro de los retos tecnológicos están los Arrays de antenas, que me honra haber planteado teóricamente y demostrado en 1969 (3). Cuando explorábamos Marte, la señal recibida en las antenas de 26m era escasa y planteé combinar dos antenas distantes (Robledo y Cebreros) para aumentar el área de captura y poder llegar más lejos o recibir más datos (4, 5). La idea no fue de aplicación inmediata pues para Júpiter se construyeron las antenas gigantes de 64m, que fueron suficientes para los encuentros con dicho planeta. Para Saturno, la señal, 4 veces más débil, quedaría justa. Esto hizo recuperar, con tecnología más moderna, la idea planteada 10 años antes. El Array se montó con las antenas de 64m y 34m. Para Urano, a doble distancia que Saturno, los Arrays fueron 64m con 2 de 34m y en Australia, otra más de 64m del observatorio astronómico de Parkes. Para Neptuno, aún más distante, se usó lo anterior, con las antenas de 64m ampliadas a 70m, y además Goldstone se combinó con el VLA de Nuevo Méjico con 27 antenas de 25m. Todo esto me supone una satisfacción por haber contribuido a esta gran misión y a otras muchas que también hacen uso de los Arrays de antenas.

Finalizando ya el artículo de Voyager quiero mencionar a Edward Stone, científico jefe desde el comienzo de la misión, que aún sigue, 48 años después, atendiendo a sus naves en viaje interestelar. Además, fue director de JPL durante una década que celebro haber trabajado junto a él.

Y quiero cerrar mi aportación en este libro con Carl Sagan, famosísimo por su labor divulgadora, pero resaltando que fue miembro del equipo investigador de esta misión y nos dejó dos interesantes muestras de su visión del universo:

- El disco dorado acoplado a las sondas, es una enciclopedia para extraterrestres, que explica como leerlo, de donde procede y el tiempo transcurrido (un cronometro de U238 para 4500 millones de años), con sonidos, voces e imágenes terrestres para que en su larguísimo viaje entre las estrellas (pasarán 40.000 años hasta acercarse a otra estrella) dejar constancia que en tiempos remotos existió una civilización en un lejano planeta llamado Tierra.

- Superado Neptuno en 1989, Carl convenció a NASA para que girara la plataforma hacia el interior del sistema solar y a 6000 millones de Km tomara un montaje fotográfico de todos los planetas, que se llamó “la Foto de Familia”. Sobre la lejana visión de la Tierra, “the Pale Blue Dot”, desarrolló unas interesantes reflexiones sobre cómo solo somos un pequeño punto azul pálido en la inmensidad del espacio profundo.

Bibliografía:

(1) J.M. Urech, 2011, Estaciones de NASA cerca de Madrid: … INTA, ISBN: 978-84-930056-7-2

(2) J. M. Urech, L. D. Vit, and B. D. L. Mulhall, «Preliminary Results of DSN Performance for Convolutional Codes with a Viterbi Decoder», DSN PR, nº42-32, January and February 1976, pp. 222-240, April 15, 1976.

(3) D.J Mudgway, A History of the NASA Deep Space Network, (NASA SP; 2001-4227) (The NASA history series)

(4) J.M. Urech: «Telemetry Improvement Proposal for the 85-ft Antenna Network», JPL Scientific Program Summary, nº 37-63, Vol. II, May 1970, pp.116-120.

(5) J.M. Urech: «Processed Data Combination for Telemetry Improvement- DSS 62», JPL Technical Report, nº 32-1526, Vol. II, April 1971, pp. 169-176.

Jose Manuel Urech Ribera.

Doctor Ingeniero UPM - Ingénieur IPG (Francia).

Exdirector del Centro de Comunicaciones con el Espacio Profundo de NASA en Madrid.