Dos duros naves espaciales resistentes de la NASA han estado orbitando la Tierra durante los últimos seis años y medio, volando repetidamente a través de una zona peligrosa de partículas cargadas conocida como cinturones de radiación de Van Allen. Las sondas gemelas de Van Allen han confirmado teorías científicas y han revelado nuevas estructuras, composiciones, y procesos en funcionamiento en estas regiones dinámicas.

En febrero, El equipo de operaciones de la misión Van Allen Probes en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins, donde se diseñaron y construyeron las sondas, comenzó una serie de maniobras de descenso orbital que posicionarán a los satélites para un eventual reingreso a la atmósfera terrestre en aproximadamente 15 años.

"A la nueva altitud, La resistencia aerodinámica derribará los satélites y eventualmente los quemará en la atmósfera superior. "dijo Nelli Mosavi, Gerente de proyecto de Van Allen Probes en APL. "Nuestra misión es obtener excelentes datos científicos y también garantizar que prevenimos más desechos espaciales para que las próximas generaciones también tengan la oportunidad de explorar el espacio".

Originalmente designado como una misión de dos años porque nadie creía que una nave espacial pudiera sobrevivir más tiempo en los duros cinturones de radiación que rodean la Tierra. Estas robustas naves espaciales han operado sin incidentes desde 2012 y continúan permitiendo descubrimientos innovadores sobre los cinturones de Van Allen.

"La nave espacial y los instrumentos nos han brindado una visión increíble de las operaciones de las naves espaciales en un entorno de alta radiación, ", Dijo Mosavi." Todos en la misión sienten un verdadero sentido de orgullo y logro por el trabajo que hemos hecho y la ciencia que hemos proporcionado al mundo, incluso cuando comenzamos las maniobras de desorbitación ".

Un ambiente severo

Los cinturones de radiación de la Tierra están formados por partículas energizadas (protones y electrones) atrapadas en una órbita eterna alrededor del planeta.

"Sabemos que otros planetas de nuestro sistema solar con campos magnéticos tienen cinturones de radiación, "dijo Sasha Ukhorskiy, científico de proyectos en APL. "Podemos suponer que otros cuerpos en todo el universo también lo hacen. Al estudiar los cinturones y la física asociada con ellos aquí en la Tierra, y utilizando nuestro mundo como laboratorio natural, podemos aprender cómo funcionan estas estructuras alrededor de otros objetos en el universo con campos magnéticos ".

El campo magnético que rodea la Tierra crea una burbuja conocida como magnetosfera, que protege al planeta de las explosiones de plasma enviadas por el sol. Pero también sirve para capturar partículas y eventualmente puede asentar estas poblaciones de partículas de alta energía en cinturones de radiación alrededor de la Tierra.

En este entorno cercano a la Tierra se produce una compleja cadena de procesos, actuando como un acelerador de partículas gigante y acelerando algunas partículas hasta casi la velocidad de la luz, más de 670 millones de millas por hora. Estas partículas altamente energizadas en los cinturones de radiación pueden representar una serie de peligros para las operaciones espaciales, ya que pueden dañar la electrónica sensible.

Durante las tormentas solares, las condiciones empeoran, y los cinturones pueden aumentar de tamaño, amenazando a las naves espaciales cercanas.

"Nuestro campo magnético hace un buen trabajo al protegernos de estas explosiones solares, "dijo David Sibeck, un científico de misión en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Pero parte de su energía penetra profundamente en el campo de la Tierra y, a través de una variedad de mecanismos, enciende los cinturones de radiación. Cuando eso pasa, Es mejor que las naves espaciales en los cinturones estén atentas:el problema se avecina en forma de cortocircuitos, memoria de la computadora interrumpida, y falla del instrumento ".

Las sondas Van Allen fueron diseñadas y fabricadas para ser resistentes en este entorno extremo, e incluso sus constructores se sorprendieron por su capacidad para soportar condiciones tan duras.

"Durante los últimos seis años y medio, las sondas Van Allen han completado tres circuitos completos alrededor de la magnetosfera, y midió más de 100 tormentas geomagnéticas, "Ukhorskiy dijo." Las sondas de Van Allen verificaron y cuantificaron las teorías sugeridas previamente, descubrió nuevos mecanismos que pueden esculpir poblaciones de partículas energéticas cercanas a la Tierra, y utilizó instrumentos de capacidad única para revelar características inesperadas que eran casi invisibles para los sensores anteriores ".

La información sobre partículas y ondas entregada por las sondas Van Allen ha demostrado ser un tesoro para la investigación de la física espacial. Los hallazgos y observaciones incluyen múltiples estructuras de cinturones, incluyendo un tercer cinturón observado poco después del lanzamiento; respuestas definitivas sobre los procesos de aceleración de partículas; y el descubrimiento de una región de barrera casi impenetrable que impide que los electrones más rápidos y energéticos lleguen a la Tierra.

"Los datos de Van Allen Probes han dado lugar a más de 560 artículos publicados en revistas científicas revisadas por pares desde el lanzamiento de la misión, ", Dijo Ukhorskiy." La mayoría de estos artículos están dirigidos por autores que no están directamente afiliados con los equipos científicos de la misión. Y la tasa de publicación ha crecido constantemente desde el lanzamiento de la misión; cada cuatro días, se publica un nuevo artículo en una revista internacional revisada por pares ".

Construido para sobrevivir

Desde su lanzamiento desde la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, Florida, el 30 de agosto 2012, las sondas gemelas Van Allen han entregado a los científicos una mirada sin precedentes a la composición y los procesos dentro de los cinturones. Las sondas, conocidas como naves espaciales A y B, fueron las primeras naves espaciales diseñadas para pasar años operando dentro y estudiando los cinturones de radiación. una región que la mayoría de las misiones de naves espaciales evitan debido a los peligros del medio ambiente.

"Diseñar la nave espacial y los instrumentos para resistir un entorno de radiación muy severo fue el desafío más difícil para Van Allen Probes durante el diseño y desarrollo, "dijo Rick Fitzgerald, quien se desempeñó como gerente de proyectos de la misión en APL de 2007 a 2012. "La radiación puede causar daños a los dispositivos electrónicos, conduciendo a un comportamiento errático o al fracaso total. Redujimos el riesgo de fallas a través de un riguroso proceso de revisión de diseño, cuidadosa selección de componentes electrónicos, y pruebas exhaustivas de piezas y materiales ".

Para proteger la electrónica sensible de las naves espaciales, el equipo agregó escudos alrededor de los instrumentos para evitar la acumulación de cargas eléctricas. "Todos los circuitos integrados fueron diseñados para sobrevivir en los cinturones, y la nave espacial tiene un sistema de gestión de fallas y autonomía, que mitiga los efectos del medio ambiente al restablecer la electrónica en respuesta a los efectos de un solo evento, "dijo Kristin Fretz de APL, ingeniero de sistemas de misión de 2013 a 2018.

El diseño ha estado a la altura del desafío.

"Hemos tenido muy pocos errores momentáneos o 'alteraciones' de nuestra electrónica en órbita, y sin fallas en la caja electrónica hasta la fecha, ", Dijo Fitzgerald." Esta es la verdadera validación de todo el arduo trabajo realizado en el diseño y el programa de prueba antes del lanzamiento ".

La longevidad y la resistencia de la nave espacial y los instrumentos significa que no solo siguen entregando grandes volúmenes de datos a la Tierra, también están enseñando a los ingenieros de naves espaciales sobre las operaciones en los cinturones.

"Las sondas de Van Allen se han convertido esencialmente en una instalación de prueba en vivo para comprender cómo la electrónica y los materiales pueden sobrevivir a la radiación fuerte, ", Dijo Fitzgerald." Los seis años y medio en órbita proporcionan nuevos datos para ser utilizados en los modelos que determinan cómo fabricar, cómo seleccionar, y cómo predecir el rendimiento de piezas y materiales en órbita ".

Maniobras finales

La nave espacial continúa funcionando de manera óptima, y los suministros de propulsantes son abundantes. Sin embargo, Las regulaciones de la NASA requieren la desorbitación controlada y la remoción de la órbita de todas las naves espaciales después de un período de 25 años desde el final de la misión. Para cumplir con este requisito, El equipo de Van Allen Probes en 2017 comenzó a planificar cómo bajar la nave espacial a órbitas que eventualmente se descompondrían y conducirían a la reentrada a través de la atmósfera. desintegrándolos de forma segura.

"Si no hicimos estas maniobras, las sondas Van Allen continuarían orbitando durante cientos o miles de años, presentar un problema potencial para las actividades futuras de los satélites, "dijo Justin Atchison de APL, Diseñador de la misión Van Allen Probes.

Para bajar la nave espacial, el equipo de operaciones de la misión debe realizar las maniobras en un punto muy específico de la órbita y en una determinada época del año, y debe realizar la operación por etapas, en lugar de una larga combustión del motor.

"Necesitamos maniobrar cuando los satélites están en su punto de órbita más alto lejos de la Tierra, o lo que se conoce como apogeo, "Atchison dijo." Idealmente, haríamos todo el cambio de órbita en una sola maniobra en un solo día. Sin embargo, estamos limitados por la capacidad de los propulsores, que normalmente solo se utilizan para maniobras muy pequeñas para ajustar ligeramente la órbita o el apuntamiento. Así que tenemos que dividir la maniobra en segmentos más pequeños para lograr el objetivo ".

El equipo ha estado ensayando y practicando la campaña de descenso de órbita y está listo para comenzar esta nueva etapa de la vida de la misión.

"La misión Van Allen Probes ha realizado un trabajo tremendo al caracterizar los cinturones de radiación y proporcionarnos la información completa necesaria para deducir lo que está sucediendo en ellos, ", Dijo Sibeck." Más de seis años de entusiasmo y descubrimientos ininterrumpidos que nos brindan la información necesaria para garantizar que las naves espaciales puedan sobrevivir en algunos de los entornos más duros conocidos por la humanidad. De hecho, la propia supervivencia de estas naves espaciales y todos sus instrumentos, prácticamente ileso, después de todos estos años es un logro y una lección aprendida sobre cómo diseñar naves espaciales ".