Los retos de los Voyager y los desarrollos
tecnológicos.
Historias de viajeros.
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.
Extraordinaria divulgación, por lo inteligible, del trabajo realizado por los pioneros españoles del espacio, al cual contribui de una forma mínima bajo tu dirección.
ResponderEliminarGregorio Pastor.