Es asombroso pensar que hay telescopios en el espacio, en este momento, que dirigen su mirada a objetos distantes durante horas, días e incluso semanas. Proporcionando un punto de vista tan estable y preciso que podemos conocer detalles sobre galaxias, exoplanetas y más.
Y luego, cuando se acabe el tiempo, la nave espacial puede cambiar su mirada en otra dirección. Todo sin el uso de combustible.
Todo es gracias a la tecnología de ruedas de reacción y giroscopios. Hablemos de cómo funcionan, en qué se diferencian y cómo su fracaso ha puesto fin a misiones en el pasado.
Aquí está la respuesta rápida. Las ruedas de reacción permiten que las naves espaciales cambien su orientación en el espacio, mientras que los giroscopios mantienen un telescopio increíblemente estable, por lo que pueden apuntar a un objetivo con alta precisión.
Si ha escuchado suficientes episodios de Astronomy Cast, sabrá que siempre me quejo de las ruedas de reacción. Siempre parece ser el punto de falla en las misiones, terminarlas prematuramente antes de que la ciencia esté por completo.
Probablemente he usado los términos ruedas de reacción y giroscopios indistintamente en el pasado, pero tienen propósitos ligeramente diferentes.
Una de las ruedas de reacción de alto rendimiento llevadas por Kepler, Dawn y varias otras misiones de la NASA. Crédito: Ball Aerospace
Primero, hablemos de las ruedas de reacción. Se trata de un tipo de volante que se utiliza para cambiar la orientación de una nave espacial. Piense en un telescopio espacial que necesita cambiar de un objetivo a otro, o una nave espacial que necesita volver a la Tierra para comunicar datos.
También se conocen como ruedas de impulso.
No hay resistencia del aire en el espacio. Cuando una rueda gira en una dirección, todo el telescopio gira en la dirección opuesta, gracias a la Tercera Ley de Newton; ya sabes, para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Con las ruedas girando en las tres direcciones, puede girar el telescopio en la dirección que desee.
Las ruedas se fijan en su lugar y giran entre 1.000 y 4.000 revoluciones por minuto, acumulando momento angular en la nave espacial. Para cambiar la orientación de la nave espacial, cambian la velocidad a la que giran las ruedas.
Disposición del telescopio espacial Kepler, incluidas sus 4 ruedas de reacción. Crédito: NASA Ames / Ball Aerospace
Esto crea un par de torsión que hace que la nave espacial cambie su orientación, o avance, en una dirección elegida.
Esta tecnología funciona solo con electricidad, lo que significa que no es necesario utilizar propulsor para cambiar la orientación del telescopio. Mientras tengas suficientes rotores girando, puedes seguir cambiando de dirección, usando solo la energía del sol.
Las ruedas de reacción se utilizan en casi todas las naves espaciales, desde diminutos Cubesats hasta el telescopio espacial Hubble.
Con tres ruedas, puede cambiar su orientación a cualquier lugar en 3 dimensiones. Pero LightSail 2 de Planetary Society solo tiene una sola rueda de impulso para cambiar la orientación de su vela solar, de borde hacia el Sol y luego de costado para elevar su órbita solo con la luz solar.
Foto del despliegue de velas de LightSail 2. Crédito: The Planetary Society
Por supuesto, estamos más familiarizados con las ruedas de reacción debido a las veces que fallaron, dejando fuera de servicio las naves espaciales. Misiones como FUSE y Hayabusa de JAXA.
Las ruedas de pérdida de reacción de Kepler y la ingeniosa solución
Más famoso, Telescopio espacial Kepler de la NASA , lanzado el 9 de marzo de 2009 para encontrar planetas orbitando otras estrellas. Kepler estaba equipado con 4 ruedas de reacción. Tres eran necesarios para mantener el telescopio apuntando con cuidado a una región del cielo, y luego uno de repuesto.
Ilustración de un artista de la nave espacial Kepler de la NASA. La misión Kepler casi ha terminado y se está reservando lo último de su combustible para asegurarse de que sus datos lleguen a casa. Imagen: NASA / Kepler
Observaba que cualquier estrella en su campo de visión cambiara de brillo en un factor de 1 en 10,000, lo que indica que un planeta podría estar pasando por delante. Para ahorrar ancho de banda, Kepler en realidad solo transmitió información sobre el cambio en el brillo de las propias estrellas.
En julio de 2012, una de las cuatro ruedas de reacción de Kepler falló. Todavía tenía tres, que era el mínimo que necesitaba para poder ser lo suficientemente estable para continuar con sus observaciones. Y luego, en mayo de 2013, la NASA anunció que Kepler tenía una falla en otra de sus ruedas. Así que se redujo a dos.
Esto detuvo las principales operaciones científicas de Kepler. Con solo dos ruedas en funcionamiento, ya no podía mantener su posición con la precisión suficiente para rastrear el brillo de las estrellas.
Aunque la misión podría haber sido un fracaso, los ingenieros idearon una estrategia ingeniosa, utilizando la ligera presión del Sol para actuar como una fuerza en un eje. Al equilibrar perfectamente la nave espacial a la luz del sol, pudieron continuar usando las otras dos ruedas de reacción para continuar haciendo observaciones.
Infografía que muestra cómo el telescopio espacial Kepler continuó buscando planetas a pesar de dos ruedas de reacción rotas. Crédito: NASA Ames / W Stenzel
Pero Kepler se vio obligado a mirar el pequeño punto en el cielo que se alineó con su nueva orientación, y cambió su misión científica para buscar planetas que orbitan estrellas enanas rojas. Usó su propulsor a bordo y regresó a la Tierra para transmitir datos. Kepler finalmente se quedó sin combustible el 30 de octubre de 2018 y la NASA concluyó su misión.
Al mismo tiempo que Kepler estaba luchando con sus ruedas de reacción, la misión Dawn de la NASA tenía problemas con las mismas ruedas de reacción.
Ruedas de pérdida de reacción de Dawn
Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 con el objetivo de explorar los dos asteroides más grandes del Sistema Solar: Vesta y Ceres. La nave espacial entró en órbita alrededor de Vesta en julio de 2011 y pasó el año siguiente estudiando y cartografiando el mundo.
Ilustración de un artista de la nave espacial Dawn de la NASA con su sistema de propulsión de iones acercándose a Ceres. Imagen: NASA / JPL-Caltech.
Se suponía que debía dejar a Vesta y dirigirse a Ceres en agosto de 2012 , pero la salida se retrasó más de un mes debido a problemas con sus ruedas de reacción . A partir de 2010, los ingenieros estaban detectando cada vez más fricción en una de sus ruedas, por lo que la nave espacial cambió a las tres ruedas en funcionamiento.
Y luego, en 2012, la segunda de sus ruedas también comenzó a ganar fricción, y la nave espacial se quedó con solo dos ruedas restantes. No es suficiente para mantenerlo completamente orientado en el espacio utilizando solo electricidad. Esto significó que tuvo que comenzar a usar su propulsor de hidracina para mantener su orientación durante el resto de su misión.
Tres vistas del volcán de hielo Ahuna Mons. La parte superior es una reconstrucción del volcán a partir de datos topográficos, la imagen de la izquierda fue capturada por la cámara de encuadre de Dawn, y la imagen en falso color de la derecha muestra la presencia de carbonato de sodio en rojo y verde. Imagen: Por NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAF
Dawn llegó a Ceres y, mediante el uso cuidadoso del propulsor, pudo trazar un mapa de este mundo y sus extrañas características de la superficie. Finalmente, a fines de 2018, la nave espacial se quedó sin propulsor y ya no pudo mantener su orientación, mapear Ceres o enviar sus señales de regreso a la Tierra.
La nave espacial continuará orbitando Ceres, dando tumbos sin poder hacer nada.
Hay una larga lista de misiones cuyas ruedas de reacción han fallado. Y ahora los científicos creen saber por qué. Hubo un documento publicado en 2017 que determinó que el entorno del espacio en sí mismo está causando el problema. A medida que las tormentas geomagnéticas pasan por la nave espacial, generan cargas en las ruedas de reacción que provocan un aumento de la fricción y hacen que se desgasten más rápidamente.
Pondré un enlace a un gran video de Scott Manley eso entra en más detalles.
Telescopio espacial Hubble y sus giroscopios
El telescopio espacial Hubble está equipado con ruedas de reacción para cambiar su orientación general, girando todo el telescopio a la velocidad de un minutero en un reloj: 90 grados en 15 minutos.
Pero para permanecer apuntando a un solo objetivo, utiliza otra tecnología: giroscopios.
Telescopio espacial Hubble de la NASA. Créditos: NASA
Existen 6 giroscopios en Hubble que giran a 19.200 revoluciones por minuto. Son grandes, masivos y giran tan rápido que su inercia resiste cualquier cambio en la orientación del telescopio. Funciona mejor con tres, que coinciden con las tres dimensiones del espacio, pero puede funcionar con dos, o incluso uno, con resultados menos precisos.
En agosto de 2005, los giroscopios del Hubble se estaban desgastando y la NASA cambió al modo de dos giroscopios. En 2009, durante la Misión de servicio 4, los astronautas de la NASA visitaron el telescopio espacial y reemplazaron los seis giroscopios.
STS61 fue la primera misión de servicio al telescopio espacial Hubble. Crédito: NASA
Es probable que esta sea la última vez que los astronautas visiten el Hubble, y su futuro depende de cuánto duren estos giroscopios.
¿Qué pasa con James Webb?
Sé que la mera mención del telescopio espacial James Webb pone nerviosos a todos. Más de $ 8 mil millones de dólares invertidos hasta ahora y su lanzamiento está previsto para unos dos años a partir de ahora. Va a volar al punto Lagrange Tierra-Sol L2, ubicado a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra.
Ilustración del telescopio espacial James Webb de la NASA. Créditos: NASA
A diferencia del Hubble, no hay forma de volar el James Webb para repararlo si algo sale mal. Y viendo la frecuencia con la que los giroscopios han fallado, esto realmente parece un punto débil peligroso. ¿Qué pasa si los giroscopios de James Webb fallan? ¿Cómo podemos reemplazarlos?
James Webb tiene ruedas de reacción a bordo. Están construidos por Rockwell Collins Alemania , y son similares a las ruedas de reacción a bordo de las misiones Chandra, EOS Aqua y Aura de la NASA, por lo que son una tecnología diferente de las ruedas de reacción fallidas en Dawn y Kepler. La misión Aura dio un susto en 2016 cuando una de sus ruedas de reacción giró, pero se recuperó después de diez días.
El giroscopio resonador hemisférico (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino o giroscopio en forma de hongo, se fabrica utilizando una capa hemisférica delgada de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Crédito: Sagem CC BY 4.0
James Webb no utiliza giroscopios mecánicos como el Hubble para mantener el objetivo. En su lugar, utiliza una tecnología diferente llamada giroscopios resonadores hemisféricos o HRG.
Estos utilizan un hemisferio de cuarzo que se ha formado con mucha precisión para que resuene de una manera muy predecible. El hemisferio está rodeado por electrodos que impulsan la resonancia, pero también detectan cambios leves en su orientación.
Sé que suena como un galimatías, como si estuviera impulsado por sueños de unicornio, pero puedes experimentarlo por ti mismo.
Sostenga una copa de vino y luego muévala con el dedo para que suene. El timbre es la copa de vino flexionándose hacia adelante y hacia atrás en su frecuencia de resonancia . A medida que gira el vidrio, la flexión hacia adelante y hacia atrás también gira, pero se retrasa con respecto a la orientación de una manera muy predecible.
Cuando estas oscilaciones ocurren miles de veces por segundo en un cristal de cuarzo, es posible detectar pequeños movimientos y luego explicarlos.
Así es como James Webb permanecerá centrado en sus objetivos.
Impresión artística del orbitador Cassini entrando en la atmósfera de Saturno. Crédito: NASA / JPL
Esta tecnología ha volado en la misión Cassini en Saturno y funcionó perfectamente. De hecho, en junio de 2011, la NASA había informado que estos instrumentos habían experimentado 18 millones de horas de funcionamiento continuo en el espacio en más de 125 naves espaciales diferentes sin una sola falla. De hecho, es muy confiable.
Espero que eso aclare las cosas. Las ruedas de reacción o de impulso se utilizan para reorientar las naves espaciales en el espacio, de modo que puedan orientarse en diferentes direcciones sin usar propulsor.
Los giroscopios se utilizan para mantener un telescopio espacial apuntando con precisión a un objetivo, para proporcionar los mejores datos científicos. Pueden ser ruedas giratorias mecánicas o utilizan la resonancia de cristales vibrantes para detectar cambios en la inercia.