Airbus Defence and Space

Información complementaria sobre GOCE y Airbus Defence and Space

Cada estrella, cada planeta, genera una fuerza o campo gravitatorio.

La Tierra, y su campo gravitatorio con forma de patata

 Cada estrella, cada planeta, genera una fuerza o campo gravitatorio. Esta fuerza de atracción es la que garantiza que la Tierra "vuele" en torno al Sol y la Luna alrededor de la Tierra, y, por lo mismo, es la responsable de que los seres humanos y los animales se queden en la superficie de la Tierra y no floten por ahí. Si la Tierra fuera una esfera perfecta, el campo gravitatorio en su derredor sería completamente simétrico y disminuiría de modo uniforme en todas las direcciones al alejarse de él. Sin embargo, no es así. En primer lugar, la rotación de la Tierra genera una fuerza centrífuga: su fuerza es máxima en el ecuador y se reduce a nada en los polos. Esta fuerza centrífuga tira del planeta, "ensanchándolo", de modo que su apariencia es más similar a la de un balón de rugby o un elipsoide. El diámetro del ecuador es aproximadamente 21 kilómetros mayor que el diámetro medido de polo a polo. Su efecto es que un hombre de peso normal "pese" unos 350 gramos más en los polos que en el ecuador.

Además, a menor escala, este elipsoide tiene ciertas variaciones, causadas, por ejemplo, por las montañas de gran altura, o los grandes cañones en las profundidades de los océanos. Esta topografía irregular conlleva sus correspondientes irregularidades en el campo gravitatorio exterior. Además, el interior de la Tierra no tiene una composición uniforme. Hay zonas de roca densa y pesada, en las que predomina una mayor atracción terrestre. En otras, el material de la corteza es más ligero, y el campo gravitatorio terrestre es menos fuerte. Tales anomalías se producen, por ejemplo, en las áreas en que chocan o se separan las placas continentales.

Las irregularidades de la estructura de la Tierra se reflejan directamente en la estructura de su campo gravitatorio. Si se cartografía este campo en tres dimensiones, la Tierra se asemeja... a una patata. Para un geofísico, un atlas de los campos gravitatorios tiene tanto valor como un mapa topográfico para un agrimensor. La información que contiene es enorme y variada.

 

Magma borboteante y océanos llenos de corrientes

La estructura del interior de la Tierra no se puede determinar simplemente mediante el conocimiento de campo gravitatorio terrestre, dado que es imposible identificar si una depresión o bache en el campo gravitatorio tiene su origen en el interior de la Tierra o en la superficie de ésta. Sólo combinándolo con otros métodos, tales como la sismología, pueden discernirse las causas. En especial, los geofísicos quieren estudiar dos aspectos utilizando GOCE:

1) En lo más profundo del interior de la Tierra, la roca es caliente y viscosa. Al igual que sucede con el agua en un hervidor, el magma sube, se enfría y fluye de vuelta. Estos movimientos fluidos de la roca son la causa de la deriva continental y de los terremotos. Los investigadores quieren estudiar este fenómeno mediante GOCE.

2) La corteza de la Tierra se extiende por encima de la totalidad del globo como los fragmentos de un rompecabezas. A medida que estas placas continentales se empujan entre sí, chocan en algunas áreas y descienden al interior de la Tierra. Esas son las zonas donde se dan con frecuencia los terremotos. En otras áreas, se van separando y es allí donde el material procedente del fondo de la Tierra emerge a la superficie. A los investigadores les interesa lo que se oculta bajo estas líneas de falla.

 

La segunda área principal de aplicación del ingenio es la oceanografía.

 

El nivel del mar va a subir a causa del calentamiento de la Tierra. La medición de los niveles del mar al nivel necesario de precisión —aproximadamente un centímetro— es muy difícil, pues, hasta ahora, no ha existido una superficie de referencia específica con la cual comparar los cambios encontrados. Los investigadores en geología denominan esta superficie un "geoide". En este momento, los valores de este "nivel medio del mar" varían hasta un metro entre continentes, de modo que el nivel del mar de una zona del mundo no es comparable con el de otra. Sin embargo, precisamente es eso lo que se requiere para poder demostrar cambios a escala global. La idea es que GOCE fije esta superficie de referencia en todo el mundo con una precisión de un centímetro y, en ciertas áreas, de sólo unos pocos milímetros.

Esta "calibración" a escala global también es necesaria para otras operaciones. Por ejemplo, se pueden estudiar las corrientes oceánicas de manera mucho más sencilla. Tienen una influencia decisiva en el clima, porque acarrean grandes cantidades de agua y energía. Si no se desplazara una corriente al Atlántico Norte (la Corriente del Golfo), las temperaturas del aire en la zona del Atlántico Norte bajarían entre cinco y diez grados. Se pueden modelizar con mayor precisión ciertas mediciones de importancia, como las cantidades de agua y energía transportada, teniendo en cuenta una superficie de referencia claramente definida (el geoide).

Por último, pero no por ello menos importante, este nuevo sistema de referencia también facilita la geodesia y por tanto la elaboración de mapas topográficos dado que también éstos se basan en el "nivel medio del mar".

 

Cómo se desliza GOCE por encima del campo gravitatorio

Los satélites ofrecen la única manera posible de sondear uniformemente la totalidad del campo gravitatorio de la Tierra. Funciona así: en un campo gravitatorio perfectamente simétrico, el satélite se movería en una órbita elíptica o circular, pero si pasa por encima de un "chichón" o un "bache" (lo que los expertos denominan una "anomalía") del campo gravitatorio, experimenta una situación similar a la de un surfista cuando se enfrenta al océano; se desliza sobre una especie de una antigua tabla de lavado, ligeramente ondulada. En la zona de mayor fuerza gravitatoria, bajará ligeramente y acelerará, mientras que en la zona de fuerza gravitatoria más débil ascenderá ligeramente y reducirá su velocidad. El campo gravitatorio terrestre puede reconstruirse a partir de las desviaciones orbitales, siguiendo con exactitud la trayectoria del satélite.

 

Mediante el uso de los dos satélites CHAMP (lanzado en julio de 2000), y GRACE (lanzado en marzo de 2002), esta técnica ha hecho posible que a lo largo de los últimos años los investigadores cartografíen el campo gravitatorio terrestre con la máxima exactitud lograda hasta entonces. Ambos satélites fueron diseñados y fabricados bajo la dirección de Airbus Defence and Space. GOCE continuará con la labor de estas dos exitosas misiones y proporcionará datos todavía más precisos. Se ha diseñado para medir detalles en el campo gravitatorio terrestre con una resolución espacial de hasta 100 kilómetros, y variaciones en su fuerza de hasta una millonésima del campo gravitatorio promedio de la Tierra. La precisión en tales mediciones sólo puede lograrse utilizando tecnología nueva y costosa.

Habida cuenta de que el campo gravitatorio se debilita a medida que se aumenta la distancia con respecto a la Tierra, GOCE orbita ésta a una altitud de sólo 250 kilómetros. Sin embargo, a esa altitud todavía existe atmósfera, siquiera parcial. Para mantener al mínimo la resistencia que causa la fricción con el aire, el satélite fue diseñado con una forma "aerodinámica". Su sección transversal perpendicular a la dirección del vuelo tiene sólo un metro cuadrado; se logró estirando el cuerpo del ingenio a lo largo y montando de manera rígida los paneles solares, en posición casi paralela a la dirección del vuelo. 

 

Airbus Defence and Space entrega la plataforma satélite

En el corazón mismo del satélite se encuentra un instrumento para la medición de la aceleración denominado gradiómetro, que mide las aceleraciones en las tres direcciones del espacio. Se compone de seis cristales que flotan por pares, a 50 centímetros entre sí, dentro de un contenedor, y conforman los tres ejes del espacio, en posición perpendicular los unos con respecto de los otros. Un campo electrostático garantiza que la distancia entre cada par de cristales permanece constante. Lo normal es que esta distancia cambie cuando el satélite sobrevuela una anomalía magnética. Sin embargo, el gradiómetro registra esta situación y contrarresta el efecto modificando exactamente el campo electrostático en la cantidad correcta. Observando la intensidad de esta fuerza electrostática, es posible calcular la fuerza de la anomalía gravitatoria.

Al efecto de la gravedad se le superpone el de la fricción atmosférica. Sin embargo, la deceleración constante causada por el aire queda asimismo registrada por el gradiómetro, que es capaz de diferenciarla de la aceleración causada por las anomalías magnéticas. El ordenador de a bordo analiza todos estos datos de aceleración y comanda un propulsor iónico que corrige los errores relacionados con la fricción del aire, modificando su empuje según sea conveniente.

 

El procedimiento utilizado para mantener el satélite en su órbita precisa con la ayuda de un sistema de control activo se denomina "control de actitud". El rasgo que caracteriza al satélite GOCE es que compensa la deceleración experimentada en la dirección de su vuelo, causada por la atmósfera residual, usando un "control a prueba de resistencia aerodinámica" (drag-free control). "Este sistema, que funciona con un motor iónico regulado, es un hecho totalmente inédito en esta configuración", explica el responsable de la plataforma GOCE, Karl-Otto Hienerwadel. "Se trata de una de las tareas más difíciles a las que nos enfrentamos en este proyecto". Si bien anteriormente ya se han utilizado unidades de propulsión por iones, el control permanente del empuje es una cualidad totalmente nueva.

En la construcción de otras partes de la plataforma GOCE Airbus Defence and Space también pudo aprovechar otros desarrollos previos, ofreciendo así una solución rentable en lo que a coste se refiere. Por ejemplo, la compañía está construyendo en la actualidad una plataforma similar para el satélite medioambiental CryoSat de la ESA. Debido a las especiales demandas que plantea el programa GOCE, muchos de sus componentes tuvieron que ser perfeccionados.

La inmensa precisión con la que ha de medirse el campo gravitatorio de la Tierra, sobre todo, plantea requisitos muy especiales. Cualquier fuerza que pudiera perturbar el satélite, por tanto, ha de ser evitada. Por ejemplo, la estructura del satélite no debe deformarse ni siquiera al verse sometida a grandes fluctuaciones de temperatura. Éstas se producen en cada momento en que GOCE emerge de la sombra de la Tierra y se introduce en los rayos solares, y viceversa. Para evitar tal efecto, se ha creado una estructura térmicamente estable, fabricada en plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) y un sistema de control térmico de ingenioso diseño. El sistema sólo puede probarse hasta cierto punto en laboratorio, y por tanto ha de ser construido y verificado mediante el uso de modelos teóricos.

Además, queda excluido el funcionamiento de relés y otras partes móviles durante las fases de medición, dado que ejercen unas fuerzas considerables en el satélite que a la postre falsearían las mediciones. No es pedir poco, dada la multitud de dispositivos que los ingenieros de Airbus Defence and Space tienen que instalar en la plataforma, y entre los que se incluyen controles electrónicos para el generador solar de electricidad, un sensor de estrellas, un sensor solar, un sensor de Tierra, un magnetómetro y los inducidos magnéticos destinados a control de actitud, así como las antenas para transmisión en banda S y los transpónders (repetidores) de comunicaciones. 

 

Airbus Defence and Space y la familia de Earth Explorers

Airbus Defence and Space también está profundamente implicada en otros satélites de las misiones Earth Explorer actualmente en fase de construcción. Airbus Defence and Space Alemania, por ejemplo, es el contratista principal industrial del satélite de investigación del hielo CryoSat-2, la misión EarthCARE, que se ocupa de nubes y aerosoles (partículas en suspensión en el aire) y SWARM (literalmente, "enjambre"), una constelación de tres ingenios que investigará el campo magnético terrestre.

Airbus Defence and Space UK es el contratista principal de la misión ADM Aeolus, centrada en el estudio de los vientos, para la cual Airbus Defence and Space Francia está desarrollando el instrumento Aladin. Airbus Defence and Space España ha desarrollado y construido el radiómetro Miras, único instrumento de la misión SMOS, destinada a la adquisición de datos sobre humedad del suelo y salinidad de los océanos.

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