Navegar una nave espacial a través de los cielos se ha comparado con navegar en un barco en mar abierto o conducir un vehículo en un largo viaje a campo traviesa. Las analogías son necesarias, ya que la navegación de las naves espaciales la realiza una muestra relativamente pequeña de la raza humana, y el trabajo generalmente implica hacer cosas que nunca antes se habían hecho. Aquellos de nosotros que tenemos problemas para entender un mapa de carreteras aquí en la Tierra estamos asombrados de lo que estos navegantes celestiales pueden lograr.
Literalmente, esto es ciencia espacial.
En términos más simples, la navegación de una nave espacial implica determinar dónde está la nave espacial y mantenerla en curso hacia el destino deseado. Pero no es tan fácil como ir del punto A (Tierra) al punto B (un planeta u otro cuerpo de nuestro sistema solar). Estas no son posiciones fijas en el espacio. Los navegantes deben enfrentar los desafíos de calcular las velocidades y orientaciones exactas de una Tierra en rotación, un destino objetivo en rotación, así como una nave espacial en movimiento, mientras todos viajan simultáneamente en sus propias órbitas alrededor del Sol.
Chris Potts señala el cráter Gusev en Marte el 4 de enero de 2004, después de que el equipo de navegación MER aterrizara el rover Spirit en Marte con una precisión sin precedentes. Foto cortesía de Chris Potts
Chris Potts, quien ayudó a dirigir los equipos de navegación de los Mars Exploration Rovers (MER), comparó los requisitos del objetivo de aterrizar el Spirit dentro de un cráter específico en Marte con la posibilidad de lanzar una pelota de baloncesto a través de un aro a 9000 millas de distancia. “No solo tienes que hacer el tiro a la perfección sin que la pelota toque el aro, sino que el momento debe ser perfecto, por lo que haces el tiro exactamente como suena el timbre”, dijo.
Ken Williams fue el jefe del equipo de navegación para el regreso de la misión Stardust de muestras prístinas de un cometa a la Tierra. Para un reingreso y aterrizaje exitosos en una ubicación precisa en Utah, el equipo de navegación tuvo que apuntar la entrada de la cápsula de retorno a un punto específico en la atmósfera de la Tierra dentro de ocho centésimas de grado, una hazaña que se ha comparado con dar en el ojo. de una aguja de coser con un trozo de hilo del otro lado de una habitación.
La navegación es esencial para todas las misiones robóticas, y aunque el éxito de la misión depende de qué tan bien se desempeñe el equipo de navegación, los navegantes generalmente no se encuentran en el centro de atención, sentados en el escenario para una conferencia de prensa. Normalmente, eso está reservado para los científicos y diseñadores de la misión. Los navegantes, aparentemente, trabajan detrás de escena, manejando las trincheras en relativo anonimato.
Pero tuve la oportunidad de hablar con algunos navegantes de naves espaciales, aprender más sobre su trabajo y descubrir las cualidades innatas de quienes guían nuestra nave espacial a lugares más allá.
Neil Mottinger. Imagen cortesía de Neil Mottinger.
Neil Mottinger ha sido parte de numerosas misiones desde que comenzó a trabajar en el Laboratorio de Propulsión a Chorro en 1967. Ayudó con algunas de las primeras misiones lunares y planetarias, y desarrolló parte del software que los navegantes todavía usan hoy.
Escuche mi entrevista con Mottinger en el Edición del 21 de agosto del podcast 365 días de astronomía.
Hay varias subdisciplinas diferentes para la navegación de naves espaciales, y una de las especialidades de Mottinger es la determinación de la órbita. 'La determinación de la órbita es saber dónde está la nave espacial y hacia dónde se dirige', dijo Mottinger, quien actualmente trabaja con la misión Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) y la próxima misión LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) a la luna. “Comienza con la predicción de la trayectoria en la que estará la nave espacial inmediatamente después del lanzamiento para que Deep Space Network (DSN) sepa dónde apuntar su antena y en qué frecuencia esperar la señal”. El DSN consiste en una red de antenas de comunicaciones de espacio profundo extremadamente sensibles en tres ubicaciones: Goldstone, California; Madrid, España; y Canberra, Australia. La ubicación estratégica aproximadamente a 120 grados de distancia en la superficie de la Tierra permite la observación constante de las naves espaciales mientras la Tierra gira.
Dado que no hay GPS en el espacio exterior, los navegantes procesan los datos de seguimiento radiométrico recibidos del DSN para determinar la posición y la velocidad de la nave espacial. También utilizan datos ópticos, donde la nave espacial toma una imagen del fondo de la estrella para ayudar a refinar la trayectoria de la nave espacial.
Durante muchos años, Mottinger trabajó con un grupo que brindó soporte de navegación para el lanzamiento de más de 100 naves espaciales. 'Nunca me uní a ninguna misión, ya que justo después de un lanzamiento pasamos a la siguiente misión', dijo Mottinger. Pero ahora se queda con las misiones por más tiempo y ha estado con la misión MRO durante la mayor parte de los tres años. Mottinger está encantado con los datos científicos que ha devuelto esta misión. “Tenemos que proporcionar predicciones precisas de dónde va a estar la nave espacial. Entonces los ingenieros saben cómo orientar las naves espaciales para que los científicos puedan hacer sus observaciones ”, dijo. “Si hacemos nuestro trabajo, los científicos pueden ver un deslizamiento de tierra en Marte o observar áreas específicas del planeta. Si nuestras predicciones son incorrectas, las cámaras apuntan en la dirección incorrecta. La navegación es parte integral de todo el proceso para garantizar el éxito de la misión '.
Un volcán activo en Io, tomado por la nave espacial New Horizons. Crédito: NASA
Mottinger dijo que, por lo general, uno no piensa en los navegantes como científicos, solo como un medio para un fin para que los científicos obtengan resultados. Sin embargo, a veces los subproductos científicos provienen de la navegación. El caso más famoso involucró la misión Voyager cuando la navegante Linda Morabito descubrió un volcán en la luna Io de Júpiter al observar imágenes de navegación óptica. En las misiones del Lunar Orbiter, los navegantes se dieron cuenta de que había grandes concentraciones de masa (ahora llamadas mascon) debajo de la superficie de la luna que aceleraban las naves espaciales en órbita.
Además, la ciencia utilizada en la navegación ha mejorado drásticamente a lo largo de los años. 'Cuando miras el tipo de cosas que no entendíamos cuando comencé en comparación con lo que sabemos ahora, es abrumador', dijo Mottinger. Por ejemplo, los navegantes ahora pueden crear modelos muy precisos de la presión solar, cómo las partículas de la luz solar empujan contra una nave espacial y alteran su trayectoria, lo que incluye no solo cómo se refleja la luz solar desde las diferentes superficies de la nave espacial, sino también la re-radiación de la energía absorbida. por los paneles solares y se irradia por la parte trasera.
Además, las efemérides, las tablas que utilizan los navegantes para obtener las posiciones de los objetos astronómicos, también han mejorado en precisión a lo largo de los años. “El diablo está en los detalles”, dijo Mottinger. 'La navegación se está convirtiendo en un juego increíblemente preciso'.
Como muchos de los que trabajan en JPL, Mottinger disfruta hablar con escuelas o grupos comunitarios para compartir la emoción y los descubrimientos recientes de la exploración espacial. 'Es importante estar ahí afuera transmitiendo nuestro mensaje para que la gente se entusiasme con lo que estamos haciendo', dijo. 'Y el público tiene derecho a emocionarse, porque está pagando la factura'.
Hace varios años, Mottinger regresó a su ciudad natal de Oswego, Illinois, para hablar con los estudiantes sobre su trabajo como navegante. Sentado en el aula estaba un joven Chris Potts, quien decidió que la navegación de naves espaciales era la carrera que quería seguir. Potts, quien ha estado en el JPL desde 1984, fue el Subjefe del Equipo de Navegación de MER y ahora trabaja con la Misión Dawn que está en camino a orbitar dos asteroides, Ceres y Vesta.
Chris Potts y Neil Mottinger con un modelo del Mars Exploration Rover en JPL. Foto cortesía de Chris Potts
La especialidad de Potts es el control de la trayectoria de vuelo. Esto implica activar el sistema de propulsión para alterar la velocidad o trayectoria de la nave espacial, conocido como maniobras de corrección de trayectoria (TCM). 'Eso incluye comprender las capacidades de control de la nave espacial y determinar las limitaciones', dijo Potts. “Tú decides cuándo dispararás el sistema de propulsión, con qué frecuencia y el objetivo de cada maniobra. También debe evaluar los requisitos de entrega, para asegurarse de que puede aterrizar dentro de un cráter en Marte, por ejemplo, y minimizar el riesgo en el camino '.
El aspecto del diseño es la parte favorita del trabajo de Potts. 'Tratas de desarrollar una estrategia que junta todas las piezas', dijo. “Tienes que hablar con los científicos de la misión y comprender cuáles son sus requisitos, y luego saber qué puede hacer la nave espacial. Es como la gente que tiene un coche viejo y lo lleva tanto tiempo que sabe cómo sacarle el máximo partido. Aprovechar lo que hace bien la nave espacial y trabajar alrededor de sus limitaciones alimenta el diseño de una estrategia que reúne todo para que funcione '.
Gran parte del trabajo de Potts implica simulaciones y pruebas. “Vemos cómo se comporta la nave espacial y probamos diferentes estrategias para mejorarla para nuestra situación”, dijo. 'La sección de navegación tiene una 'caja de herramientas' completa de software que podemos usar'.
Concepto artístico de la nave espacial Dawn. Crédito: NASA
La nave espacial Dawn usa un motor de iones, y esta es la primera vez que Potts trabaja con un sistema de propulsión de bajo empuje. 'Es una misión bastante diferente', dijo. “Las preocupaciones son un poco diferentes a las de otras misiones porque el empuje es muy eficiente. Una de las cosas que le preocupan es no tener tiempo suficiente para hacer las correcciones necesarias. Aunque el empuje es bajo, con el tiempo se produce un gran cambio de velocidad y siempre está diseñando trayectorias y cambiando los comandos para asegurarse de que el motor de iones esté disparando en la dirección correcta. Si hay algún tipo de falla en la nave espacial o contratiempo en el camino, tienes que luchar y es posible que algunos eventos futuros tengan que moverse '. Dawn llegará a Vesta en 2011.
Potts disfruta de ser parte de la emoción de todas las diferentes misiones en JPL. 'Realmente disfruto trabajar con gente extremadamente inteligente y talentosa aquí y definitivamente puedes sentir la pasión por el trabajo que hacen', dijo. “A veces eso puede ser intimidante, pero te das cuenta de que todos tienen su propio talento que ofrecer y todos te ayudan a hacer tu mejor esfuerzo aquí. Llegamos a hacer una variedad de trabajos interesantes y es muy desafiante. No hay dos días iguales.'
Una de las recompensas de su trabajo, dijo Potts, es ver los frutos de su trabajo salir a la luz en los descubrimientos científicos. “Con el regreso de la muestra de Stardust, fue muy gratificante ver la cápsula aterrizar justo donde se suponía que debía aterrizar en Utah”, dijo. 'Y al ver a los científicos hacerse con esos datos y comenzar a realizar sus investigaciones, se percibe lo emocionados y emocionados que están de finalmente ponerse a trabajar en su ambición de toda la vida'.
Recientemente, Stardust los científicos anunciaron el hallazgo de un aminoácido, uno de los componentes básicos de la vida, en una muestra, la nave espacial regresó a la Tierra.
Potts y Mottinger trabajaron en la misión Stardust bajo el liderazgo de Ken Williams. Williams trabajó en JPL durante varios años, pero actualmente es empleado de KinetX, una empresa de ingeniería privada que se especializa en tecnología aeroespacial y desarrollo de software. En la actualidad, KinetX proporciona soporte de navegación para la misión New Horizons a Plutón, así como la misión MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) a Mercury, y Williams es el jefe del equipo de navegación de MESSENGER. A diferencia de Mottinger y Potts, Williams no siempre ha estado involucrado en misiones espaciales y su carrera en la navegación evolucionó a partir de una formación en física. Trabajó en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins antes de incorporarse a JPL en 1994.
Ken Williams de KinetX.
La parte favorita de Williams de ser un navegador es encontrar y resolver problemas técnicos interesantes. 'Eso es lo que me interesa', dijo. “Ciertamente MESSENGER tiene varios de esos. Volamos por la Tierra una vez, Venus dos veces y Mercurio dos veces. Tendremos que volar junto a Mercurio una vez más antes de que finalmente entremos en órbita en el cuarto encuentro. Encontrar una trayectoria que haga todas esas cosas con éxito es un problema técnico muy interesante en el que estoy muy contento de estar involucrado. También tenemos que considerar todo tipo de limitaciones, como mantener la nave espacial apuntando lejos del sol para que los componentes no se calienten demasiado '.
Como jefe del equipo de navegación, Williams coordina todas las subdisciplinas de determinación de la órbita, control de la trayectoria de vuelo y navegación óptica junto con las necesidades de los científicos de la misión en términos de observaciones cuando se encuentran con un planeta o cometa.
Williams también disfruta de la emoción de estar en el centro de la acción en importantes misiones espaciales. 'Supongo que es como estar en una batalla, o en un partido de baloncesto o fútbol', dijo. “Sientes la emoción de ver cómo se desarrollan los eventos y de responder a cualquier anomalía o sorpresa que surja. Y cuando todo está hecho, tienes una tremenda sensación de satisfacción '.
Sus experiencias con el regreso de Stardust a la Tierra se destacan como un punto culminante. 'Lograr todo ese esfuerzo coordinado y conseguir que la nave espacial aterrizara con éxito fue probablemente la experiencia más gratificante de todo el tiempo que estuve en el JPL', dijo. “En casi todas las misiones en las que he trabajado ha habido un momento en el que tienes una sensación de euforia por tener la nave espacial en el lugar correcto en el momento correcto. Es una buena sensación tener '.
El equipo de navegación de la misión Stardust recibió el premio a los avances de Popular Mechanics. El jefe del equipo, Ken Williams, dijo: “El día que tomamos esta foto, sentí una fuerte sensación de camaradería con toda esta gente después de que todo había funcionado tan bien. Son un grupo de personas muy talentosas que hicieron un trabajo tremendo '. FILA DELANTERA - de izquierda a derecha: Tung-Han You, Ken Williams, Prem Menon. Segunda fila: Roby Wilson, Katherine Nakazono, Julie Kangas. Tercera fila: Daniel Lyons, Ram Ramachand, Bhat Shyam Bhaskaran, Cliff Helfrich, Jeff Tooley, David Jefferson, Dimitri Gerasimatos, Paul Thompson, Neil Mottinger. Última fila: Darren Baird, Jae Lee, Chris Potts, Tim McElrath, Brian Kennedy
Aunque dejar JPL fue una decisión difícil, Williams disfruta de sus experiencias en una empresa privada. 'Habría sido fácil permanecer en JPL y ser lo que ellos llaman un 'barba gris' en términos de experiencia, pero después de Stardust, me gustó el desafío de liderar un equipo de navegación y crecer en áreas técnicas', dijo. 'Pensé que habría una mejor oportunidad para hacer eso con un equipo pequeño en una empresa pequeña, y pensé que KinetX era un buen lugar para lograrlo'.
Todo lo contrario de una 'barba gris' es la navegante Emily Gist. Ha estado en el JPL durante 4 años y es parte del equipo de navegación de la misión Cassini en Saturno. Al igual que Potts, trabaja en el control de la trayectoria de vuelo, ayudando a planificar la trayectoria y estimar la posición futura de la nave espacial, y a controlar las correcciones necesarias para lograr los objetivos de la misión.
Concepto artístico de la nave espacial Cassini en Saturno. Crédito: NASA
Se siente muy satisfecha de saber que está ayudando a facilitar la exploración. “El sistema de Saturno es más hermoso de lo que la mayoría hubiera imaginado y más diverso de lo que se conocía anteriormente”, dijo. “La información que nos ha proporcionado Cassini nos ha iluminado a todos. Más específicamente, me encanta lo mucho que aprendo todos los días en el JPL y trabajando en la Misión Cassini '.
Como parte de la 'próxima generación' de navegantes, Gist disfruta del entorno desafiante que ofrece JPL. 'Tuvimos una prueba de preparación para las operaciones en Cassini donde se probó al equipo para ver cómo reaccionaríamos ante una falla o falla en la nave espacial en un entorno operativo', dijo. “Los ingenieros superiores no estaban en juego, por lo que la nueva generación tuvo que resolverlo por nuestra cuenta e hicimos un trabajo excelente. Me enorgulleció de todas las personas con las que trabajo. Son personas verdaderamente talentosas '.
Gist dijo que el género nunca ha sido un problema en su trabajo como navegante. “El JPL tiene un personal maravillosamente diverso y, aunque no hay muchas mujeres navegantes, no se nos trata de manera diferente”, dijo. “Soy bastante parcial, pero creo que lo que nos falta en cantidad lo compensamos en calidad. Trabajo con algunas mujeres increíbles '.
“Además, me siento afortunado de vivir en una época y una sociedad donde, independientemente del género, uno puede encontrar lo que quiere hacer y hacerlo lo mejor que pueda. Me encanta ser ingeniera y lo que trato de transmitir a las mujeres jóvenes es que pueden amar lo que quieran, incluso si son matemáticas y ciencias, sin temor a que sea un trabajo menos femenino '.
La pregunta más difícil de responder para todos los navegantes era si tenían la parte menos favorita del trabajo. Mencionaron los problemas habituales con cualquier trabajo: poco tiempo y demasiado papeleo. Y el estrés viene con el trabajo. “Los plazos, especialmente para trabajar en JPL, son muy reales”, dijo Potts. “Si no está preparado para un evento crítico en la misión, generalmente no tendrá una segunda oportunidad. Hay mucho en juego para hacer su trabajo correctamente '.
Pero todos los navegantes enfatizaron la importancia del aspecto de equipo en su trabajo. 'Uno busca la calidad inherente del equipo', dijo Mottinger. “Tuve un gerente de proyecto que dijo que un equipo se da cuenta de los errores de los demás y que el todo es más grande que la suma de las partes. Todo se hace con un espíritu de camaradería, y no existen las preguntas estúpidas '.
Galileo y Júpiter. Crédito: NASA
Pero buscar el centro de atención individual simplemente no parece estar en la estructura de un navegante.
'Me siento más cómodo trabajando detrás de escena que haciendo una entrevista', dijo Potts. 'Cuando sé que hice mi trabajo y contribuí al éxito de la misión, eso es suficiente para mí'.
'Estoy bien con mi trabajo entre bastidores', agregó Gist. 'Sin embargo, cuando considero el trabajo que han realizado los ingenieros antes que yo y a mi alrededor, a veces siento que deberían recibir más reconocimiento'.
Williams cree que, en general, el campo de la navegación en sí debería recibir más reconocimiento. 'Creo que los científicos y las personas que hacen puramente sistemas de hardware subestiman la dificultad de lo que tienen que hacer los navegantes', dijo. “Sería bueno si obtuviéramos más reconocimiento de nuestros pares solo desde el punto de vista de poder influir en la forma en que se planifican y diseñan las misiones desde el principio, de modo que los problemas de navegación se puedan abordar antes del lanzamiento y no solo nos dejen a nosotros para que los manejemos después lanzamiento. Siento más eso que cualquier reconocimiento de mis propios logros '.
Williams dijo que lo que hacen los navegantes es más una forma de arte. “No se puede reducir a un conjunto de algoritmos que se pueden almacenar a bordo de un sistema de vuelo como potencia o propulsión, por ejemplo. Es un refinamiento constante '.
¿Y a los navegantes les molestan las horas a veces largas y extrañas que requiere su trabajo? 'No', dijo Mottinger, 'no lo cambiaría por nada. No hay nada parecido '.
