GRACE-FO demostrará la eficacia de utilizar láseres en lugar de microondas para medir con mayor precisión las fluctuaciones en la distancia de separación entre las dos naves espaciales. potencialmente mejorando la precisión de las mediciones de fluctuación de alcance en un factor de al menos 10 en futuras misiones similares a GRACE. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Imagínese parado en el techo de un edificio en Los Ángeles y tratando de apuntar un láser con tanta precisión que podría golpear un edificio en particular en San Diego, a más de 160 kilómetros (100 millas) de distancia. Esta precisión es necesaria para la hazaña que una demostración de tecnología novedosa a bordo de la misión Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO), que se lanzará próximamente, tendrá como objetivo lograr. Por primera vez, Se probará una técnica prometedora llamada interferometría de alcance láser entre dos satélites.
GRACIA-FO, programado para lanzarse el 19 de mayo, continúa el rico legado de la misión GRACE original, que se lanzó en 2002 en una misión planificada de cinco años y concluyó sus operaciones en octubre de 2017. Entre sus ideas, GRACE transformó nuestra comprensión del ciclo global del agua al mostrar cómo las masas de agua líquida y hielo cambian cada mes. La misión también se sumó a nuestro conocimiento de los cambios a gran escala en la Tierra sólida. GRACE-FO proporcionará continuidad a las mediciones históricas de GRACE durante al menos otros cinco años, mejorar aún más la comprensión científica de los procesos del sistema de la Tierra y la precisión del monitoreo y los pronósticos ambientales.
¿Cómo funcionó GRACE?
GRACE obtuvo sus datos sobre el movimiento de la masa de la Tierra midiendo con precisión cambios leves en la distancia entre dos naves espaciales que volaban una detrás de la otra alrededor de la Tierra. Cuando los satélites encontraron un cambio en la distribución de la masa de la Tierra, como una cadena montañosa o una masa de agua subterránea, la atracción gravitacional de la Tierra sobre la nave espacial cambió la distancia entre ellos. Las montañas del Himalaya, por ejemplo, cambió la distancia de separación en aproximadamente tres centésimas de pulgada (80 micrómetros). Calculando con precisión cada mes cómo cambió la distancia de separación de los satélites durante cada órbita y a lo largo del tiempo, fue posible detectar cambios en la distribución de masa de la Tierra con alta precisión.
Medir el cambio en la separación entre las naves espaciales fue posible con un alto grado de precisión porque cada nave espacial estaba transmitiendo microondas hacia la otra. La forma en que las ondas interactuaban entre sí, la forma en que interferían entre sí, creó un interferómetro de microondas en el espacio. Este proceso esencialmente transformó las dos naves espaciales en un solo instrumento que podría medir con mucha precisión el cambio de distancia entre ellas. que a su vez puede estar relacionado con cambios en la distribución de masa en la Tierra.
El interferómetro de rango láser. Crédito:Instituto Albert Einstein, Hannover, Alemania. Crédito:NASA
¿Qué hay de nuevo en GRACE-FO?
GRACE-FO trabaja con estos mismos principios. Cada nave espacial lleva nuevamente un instrumento de microondas para rastrear cambios en la distancia de separación. Pero GRACE-FO también trae algo nuevo:una demostración de tecnología de un interferómetro de rango láser (LRI), gestionado conjuntamente por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert-Einstein) en Hannover, Alemania. Además de transmitir microondas entre sí, los satélites GRACE-FO se iluminarán con láser.
Dado que las longitudes de onda en un rayo láser son significativamente más cortas que las longitudes de onda de microondas, el interferómetro de rango láser mejorará la precisión de seguimiento de los cambios de separación, al igual que medir en milímetros en lugar de centímetros sería más preciso. El interferómetro de GRACE-FO detectará cambios en la distancia más de 10 veces menores de lo que detecta el instrumento de microondas, cambios del orden de 100 veces más estrechos que un cabello humano.
"Con GRACE-FO, tomamos algo de vanguardia del laboratorio y lo estamos preparando para el vuelo espacial, "dijo Kirk McKenzie, el gerente de instrumentos LRI en JPL. "La razón por la que pasamos décadas trabajando en el laboratorio es para ver que nuestra tecnología permite un nuevo tipo de medición y da como resultado descubrimientos científicos".
Cada satélite GRACE-FO podrá detectar la señal láser del otro. Pero esta no es una hazaña fácil. Cada láser tiene la potencia de aproximadamente cuatro punteros láser y debe ser detectado por una nave espacial a una distancia promedio de 137 millas (220 kilómetros). Incluso el ensamblaje ultrapreciso de los satélites no es suficiente para garantizar que el láser transmitido desde cada nave espacial esté lo suficientemente alineado como para impactar en la otra nave espacial.
GRACE-FO medirá los cambios mensuales en la atracción gravitacional que resultan de los cambios en la masa de la Tierra debajo de los satélites en órbita. Mientras los satélites orbitan alrededor de la Tierra, uno siguiendo al otro, estas masas en movimiento alteran la atracción gravitacional debajo de ellas, cambiando la distancia entre ellos muy ligeramente. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Como resultado, McKenzie explica:la primera vez que se enciende el interferómetro de rango láser, los componentes del LRI en cada nave espacial necesitan realizar un escaneo para enviar las señales del instrumento y tratar de "captar" las señales del otro en todas las configuraciones posibles. La nave espacial tiene tantas configuraciones posibles, se necesitan nueve horas. Durante un milisegundo de esas nueve horas, Habrá un destello en ambas naves espaciales para mostrar que están hablando entre sí. Después de que esta adquisición de señal ocurra una vez, Se formará el enlace óptico del interferómetro y luego el instrumento está diseñado para funcionar de forma continua y autónoma.
"Estamos intentando algo que es muy difícil:la primera demostración de interferometría láser en el espacio entre satélites, "dijo Gerhard Heinzel, el gerente de instrumentos en el Instituto Max Planck. "Pero es muy satisfactorio resolver un problema y encontrar algo que funcione".
La dificultad de la tarea requirió aprovechar diferentes áreas de especialización. JPL supervisó el láser en el interferómetro, electrónica de medición y cavidad óptica. El Instituto Max Planck fue el responsable de la óptica, detectores, espejos y divisores de haz. El interferómetro de rango láser GRACE-FO también aprovechó los 15 años de historia de colaboración de los dos grupos en la tecnología detrás de la misión Interferómetro láser en antena espacial (LISA) de la ESA / NASA. que se lanzará a principios de la década de 2030.
¿Por qué intentar algo tan difícil?
"El interferómetro de rango láser en GRACE-FO es potencialmente una tecnología habilitadora para futuras misiones alrededor de la Tierra o incluso para observar el universo, "dijo Frank Webb, Científico del proyecto GRACE-FO en JPL. "Este nuevo, una medición de mayor precisión debería permitir misiones más eficientes en el futuro con menor masa, poder y costo. Estamos ansiosos por ver cómo funciona y qué nuevas señales podríamos extraer de los datos ".
Si tiene éxito, esta nueva tecnología, junto con un acelerómetro mejorado, promete mejorar la resolución de futuras misiones similares a GRACE-FO a más de 200 millas (300 kilómetros) de diámetro, permitir que las misiones futuras rastreen e identifiquen cambios en cuerpos de agua más pequeños, hielo y la tierra sólida.
