Airbus Defence and Space

Encajando el rompecabezas cósmico de Einstein

LISA Pathfinder allanará la senda a la detección de las ondas gravitatorias, una de las más fuerzas esquivas del espacio.

Las pruebas de dos aspectos clave de la misión LISA Pathfinder concluyeron con éxito a finales de 2011. Se trataba de la conservación de un entorno altamente estable en el vehículo espacial y la precisión de medida de sus instrumentos de a bordo. La misión, de cuyo ingenio espacial Airbus Defence and Space es el contratista principal, allanará la senda a la detección de las ondas gravitatorias, una de las más fuerzas esquivas del espacio.

“La cantidad de cosas que tuvimos que aprender, y que nunca había hecho nadie antes, es bastante asombrosa. Por ejemplo, la modelización gravitatoria se hizo con un nivel de detalle sin precedentes, y también tuvimos que desarrollar una cámara apantallada magnéticamente para llevar a cabo las mediciones de ‘ruido’ magnético”, explica Neil Dunbar, Director de Ingeniería del Ingenio en LISA Pathfinder en el centro de Airbus Defence and Space en Stevenage. El programa es, a su vez, el precursor de una misión de mayor envergadura, el Nuevo Observatorio de ondas Gravitatorias (NGO), cuyo lanzamiento está previsto en 2014 con la finalidad de probar, a menor escala, diversas tecnologías para la misión posterior, muchas de las cuales tienen un carácter pionero.

La caja de la carcasa de electrodos (EH) es un cubo que mide aproximadamente 70 milímetros de lado. Contiene una masa de prueba de oro y platino del paquete tecnológico de LISA, con una distancia de separación de solo cuatro milímetros. La separación hará posible que la masa de prueba flote dentro de la EH, una vez que LISA Pathfinder se encuentre en el espacio. (© ESA)NGO es una candidata a ser seleccionada para la próxima generación de misiones del programa Visión Cósmica de la ESA, cuyo lanzamiento está fijado para principios de la década de 2020. Su meta es detectar ondas gravitatorias –fluctuaciones en la trama del espacio y tiempo– utilizando interferometría láser para medir la distancia entre unos cubos que flotan libremente a bordo de vehículos espaciales, separados por una distancia de un millon de kilómetros. En condiciones perfectas, cabría esperar de los cubos que replicaran exactamente los movimientos de los otros. Sin embargo, según la teoría general de la relatividad de Einstein, si a través del espacio pasara una onda gravitatoria, podría detectarse una minúscula distorsión de la trama del espacio mismo.

Se colocarán dos cubos, o masas de pruebas, en cada ingenio espacial, y estos formarán parte de una constelación triangular de tres vehículos. La misión va a dar respuesta a cuestiones sobre las leyes físicas del Universo, con el objetivo de detectar señales procedentes de enormes agujeros negros, sistemas binarios de estrellas compactas en la Vía Láctea e, incluso, la fase más temprana del ‘Big Bang’. Para Lisa Pathfinder tan solo un satélite con dos masas de prueba a bordo será necesario para probar la tecnología necesaria para NGO. “Es el programa más interesante en el que haya trabajado nunca”, asegura Ian Honstvet, Director de Proyecto de LISA Pathfinder, con base también en Stevenage.

El primer reto al que se enfrenta una misión de la complejidad de LISA Pathfinder es crear un entorno en el espacio que sea lo suficientemente estable como para aislar las masas de toda clase de influencias que no sean las ondas gravitatorias, y hacer posible que vuelen en una perfecta trayectoria gravitatoria de caída libre. El vehículo espacial en sí, se está construyendo alrededor de las masas de pruebas, unos cubos de oro y platino de 46 milímetros de arista, suspendidos electrostáticamente en una carcasa, que a su vez se encuentra en un contenedor al vacío dentro del subsistema del banco óptico.

El conjunto central de LISA Pathfinder, que fue diseñado por el equipo de arquitectura del paquete de pruebas de LISA en Friedrichshafen. El modelo estructural del LCA está mostrado desde arriba, integrado dentro del cilindro central del satélite.

El conjunto central de LISA Pathfinder, que fue diseñado por el equipo de arquitectura del paquete de pruebas de LISA en Friedrichshafen. El modelo estructural del LCA está mostrado desde arriba, integrado dentro del cilindro central del satélite.

Desafíos a nivel de diseño

“El material utilizado en los cubos es altamente reflectante, no es muy susceptible a la magnetización y es muy buen conductor, de forma que los cubos no acumulan diferencias de temperatura o bolsas de carga eléctrica”, explica Neil. “La desventaja es que es estructuralmente débil. Si bien eso no plantea grandes problemas una vez que los cubos ya se encuentran flotando libremente en su jaula, bien es cierto que se podrían dañar durante el lanzamiento”. Es por ello que tienen que mantenerse en su lugar dentro de la jaula mediante ocho ‘dedos’, y solo ser liberados en el momento en el que el vehículo espacial alcanza su posición final. “Soltarlos no es una tare fácil. El desarrollo del mecanismo de la jaula para sostener las masas con seguridad y luego soltarlas suavemente ha sido un reto complicado para el equipo de instrumentos de Friedrichshafen”, añade Neil.

Si bien solo es en el espacio donde puede verificarse que se ha conseguido la caída libre gravitatoria, las pruebas de nivel de sistema, llevadas a cabo en las instalaciones de IABG en Ottobrunn en 2011, han confirmado que los elementos esenciales del ingenio están listos para el vuelo. Las pruebas abarcaron ensayos de vibraciones y choque, compatibilidad electromagnética y de vacío térmico. Los requisitos de importancia clave, como la existencia de un entorno térmico excepcionalmente estable y un EMC y un entorno magnético extremadamente limpios, ya se han probado y alcanzado con éxito en tierra.

Pruebas de vacío en Ottobrunn, octubre de 2011.

Pruebas de vacío en Ottobrunn, octubre de 2011.

Midiendo en el dominio cuántico

Las pruebas de nivel de sistema que se efectuaron en las instalaciones de IABG en Ottobrunn en 2011 verificaron asimismo el segundo aspecto de gran complejidad de esta misión: la asombrosa precisión de las mediciones necesarias para monitorizar las ondas gravitatorias. La misión final medirá ondas de baja frecuencia con una resolución de 10 picómetros, una sensibilidad que equivale a percibir la deformación de una parte en 1021. La precisión del subsistema de metrología óptica se probó durante las pruebas de simulación térmica, utilizando espejos como sustitutos de las masas de prueba. Durante las pruebas efectuadas en 2011 se obtuvo una asombrosa resolución de dos picómetros, que supera de lejos el mejor rendimiento logrado hasta la fecha en un instrumento de este tipo.

Gracias a la dedicación y empeño de los equipos encargados del desarrollo del ingenio espacial y de los instrumentos, las pruebas también han cualificado la mayoría del sistema del vehículo espacial en lo que se refiere a los requisitos mecánicos y electromagnéticos del entorno de lanzamiento, así como a los extremos de temperatura a los que se verá sometido el ingenio durante las fases de misión posteriores al lanzamiento.

Tanto Neil como Ian subrayan que a LISA Pathfinder todavía le queda mucho trecho. En particular, el subsistema de micropropulsión todavía se encuentra en fase de desarrollo, e incluso tras el lanzamiento de la misión, de una duración nominal de seis meses, los equipos de diseño seguirán trabajando. “Ese será el punto en el que las pruebas en vuelo midan el rendimiento real de esta misión de demostración y, por ende, la viabilidad de la futura misión NGO”, concluye Ian.

 

Màs


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