Philae: el aterrizaje en un cometa
Walter Farah Calderón
[email protected]
20 de febrero de 2015
Una versión electrónica con recursos adicionales se puede encontrar aquí
Tras siete horas de caída libre, después de liberarse del Módulo Rosetta desde 22.5 kilómetros de altura, Philae, un pequeño cubo de alrededor de un metro de lado y 100 kg de peso, se posó sobre la superficie del cometa conocido como 67P/CG, de cuatro kilómetros de largo y forma irregular, el 12 de noviembre de 2014. Fue el primer aterrizaje sobre la superficie de un cometa. La creatividad humana en su esplendor.
De la misma manera que Rosetta, Philae fue producto de la Agencia Espacial Europea (ESA), en particular de un consorcio liderado por el Instituto Alemán de Investigación Planetaria (DLR).
"El cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, es un cuerpo de forma irregular de 4 km de diámetro en su sección más ancha, de los cometas periódicos que quedaron atrapados en el Sistema Solar interior después de acercarse demasiado a Júpiter. Fue descubierto en septiembre de 1969, en el Instituto Astrofísico de Almaty (Kazajstán), por el astrónomo Klim Churyumov de la Universidad de Kiev (Ucrania), a partir de las fotos tomadas por su colega Svetlana Gerasimenko, del Instituto de Astrofísica de Duchanbé (Tayikistán). El estudio de su órbita reveló que había quedado atrapado recientemente, tras varios acercamientos muy próximos a Júpiter en 1840 y 1959. El cometa gira en torno al Sol cada 6'6 años en una órbita elíptica con una inclinación baja comparada con la de la Tierra. El perihelio (el punto de su órbita más cercano al Sol) del cometa está ubicado entre las órbitas de la Tierra y Marte, mientras que el afelio (el punto más lejano) se encuentra más allá de Júpiter"
Fue el primer aterrizaje sobre la superficie de un cometa después que también había sido la primera vez que Rosetta se encontrara, en agosto de 2014, con el cometa, el 67P/CG, y será también la primera vez que una Misión escolte a un cometa en su viaje alrededor del Sol, justo para controlar su "despertar" cuando el 13 de agosto de 2015 el cometa alcance su perihelio, a unos 185 millones de kilómetros de él; aproximadamente entre las órbitas de la Tierra y Marte y después, por el resto del año, hasta donde las fuerzas resistan, detrás de él cuando nuevamente empiece a alejarse.
El EXITOSO VIAJE DE ROSETTA
Es de imaginarse la casi voluntad que Rosetta ha tenido que mantener para un viaje que en términos de la velocidad de la luz fue solo de media hora pero que para nuestra relativa modestia humana fue una larga travesía de 10 años y cinco meses iniciada el 2 de marzo de 2004.
Aquel día, Rosetta salió del Centro Espacial de la Guayana, el puerto espacial europeo de Kourou, Guayana Francesa, impulsada por un Cohete Ariane 5, que despegó a las 08.17 CET. A las 10.32 Rosetta se desacopló y así inició el viaje por sí misma, alejándose a una velocidad relativa de la Tierra de unos 3.4 km/s. Desde ese momento el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) en Darmstad, Alemania, se hizo cargo de sus operaciones. Hasta octubre se comprobaron los sistemas a bordo y se revisaron los instrumentos científicos. A partir de entonces, realmente, un largo viaje daría inicio.
Es cierto que la energía solar no hubiera sido suficiente para que Rosetta hubiera llegado tan lejos, por lo que le fue necesario sobrevolar Marte una vez y, a nuestro propio planeta, no una, sino tres veces, para modificar su trayectoria mediante "maniobras de asistencia o de corrección gravitatoria", ondas de fuerzas poderosas e invisibles o "empujones gravitatorios".
Fue así como Rosetta sobrevoló la Tierra en marzo de 2005 para dirigirse a Marte, por donde pasó en febrero de 2007 y una segunda vez por la Tierra en noviembre de ese mismo año, para ser propulsada por la gravedad terrestre hacia el cinturón de asteroides, zona de encuentro con el cometa, adquiriendo una aceleración mayor a los 45.000 km/h (unos 12.5 km/s), con relación a la Tierra.
En noviembre de 2009, Rosetta se acercó por tercera y última vez a nuestro planeta. Para entonces había recorrido unos 4.500 millones de kilómetros desde su lanzamiento y la maniobra de asistencia gravitatoria incrementó la velocidad de la nave en 3.6 km/s con relación al Sol, para ser enviada finalmente a la órbita del 67P/CG.
No es menos cierto, sin embargo, que Rosetta fue la primera sonda en viajar más allá de la órbita de Marte que utilizó células solares para su suministro de energía. En julio de 2010, a 400 millones de kilómetros del Sol, se convirtió en el primer módulo en operar a esa distancia empleando únicamente energía solar, un record que se incrementaría en los meses siguientes durante su período de hibernación donde solo se alimentaría de ella.
En la medida en que se alejaba del Sol, Rosetta dejó de recibir suficiente energía como para mantener todos sus sistemas encendidos, por lo que paulatinamente los instrumentos científicos, los sistemas de a bordo e incluso las comunicaciones se desconectarían por completo el 6 de junio de 2011, a unos 800 millones de kilómetros del Sol, próxima a la órbita de Júpiter, iniciando un viaje de 31 meses por el espacio profundo en medio de su hibernación.
El 20 de enero de 2014, a las 18:18 GMT, a 673 millones de kilómetros del Sol, Rosetta y sus instrumentos científicos se reactivarían para iniciar la fase de aproximación al cometa. En ese momento aun le faltaban 9 millones de kilómetros para su objetivo y 7 millones para que al menos pudiera enviar las primeras imágenes del 67P/CG.
Rosetta finalmente se fue acercando al 67P/CG. A 12.000 kilómetros se descubrió que su núcleo está formado por dos masas independientes unidas por una especie de cuello, "con forma de pato", dijeron.
Entre finales de abril y principios de junio, las imágenes tomadas por la cámara OSIRIS mostraron que su actividad era variable. El 'coma' del cometa –su envoltura de polvo y gas– comenzaba a brillar rápidamente para luego volver a apagarse en el transcurso de apenas semanas. Las observaciones realizadas con el instrumento MIRO indicaron que el cometa emitía en ese momento unos 300 mililitros de vapor de agua cada segundo. El instrumento VIRTIS mostró que la superficie del cometa, en ese momento a unos 555 millones de kilómetros del Sol, era oscura y polvorienta, con una temperatura media de unos -70°C.
Entre el 7 de mayo y el 6 de agosto serían necesarias diez maniobras para corregir la órbita de la sonda, reduciendo su velocidad con respecto al cometa de 775 m/s a 1 m/s, el equivalente al paso humano.
Finalmente, el 6 de agosto de 2014, a las 09:00 GMT, el encendido de un propulsor que duraría seis minutos y 26 segundos impulsaría a Rosetta a entrar en la órbita del 67P/CG, siendo la primera nave en reunirse con un cometa, a mitad de camino entre Júpiter y Marte, a 100 kilómetros del cometa, a una distancia de unos 405 millones de kilómetros de la Tierra, a unas 4 unidades astronómicas del Sol, unos 600 millones de kilómetros; habiendo recorrido unos 6.400 millones de kilómetros, avanzando a casi 55.000 kilómetros por hora hacia el Sistema Solar interior. "Rosetta now on first leg of cometary orbit", reportó la cronología oficial de la entrada en órbita, a las 09:06:27 GMT de aquel día. Meses después los investigadores empezaron a publicar sus conclusiones de aquel feliz encuentro.
Con semejante proeza a cuesta, entre agosto y octubre se fue acercando cada vez más y paulatinamente la distancia se redujo a 80 kilómetros el 20 de agosto; a 50 cuatro días después. A 30, el 10 de setiembre. El 29 de setiembre se acercaría a 20. Para el 10 de octubre solo la separaban 10 kilómetros del cometa.
Por supuesto, no era cuestión simplemente de haber llegado y de tan cerca que se está, solo creer que es dejar caer y nada más.
SALTO Y ATERRIZAJE DE PHILAE
El viaje de Philae fue como el del viajero que sabe que va aunque sin saber muy bien dónde, más como mochilero que como ejecutivo, porque a pesar que habían pasado diez años solo fue hasta el 15 de setiembre que el Grupo de Selección, de cinco posibles candidatos, preliminarmente escogió el lugar de aterrizaje, el lugar inicialmente llamado "J" para después transformarse oficialmente en "Agilkia", el nombre de una isla en el cauce del río Nilo, al sur de Egipto, donde fue llevado, desde Philae, otra isla, para proteger un complejo de templos del antiguo Egipto durante la construcción de la presa de Asuán, entre los años sesenta y setenta del siglo pasado.
"Ninguno de los puntos de aterrizaje cumplía al 100% los requisitos operacionales pero el 'J' es claramente la mejor solución", diría Stephan Ulamec, Jefe del proyecto Philae en el Instituto Alemán de Investigación Planetaria, una definición, compleja pero unánime, que requirió considerar la trayectoria de vuelo, la densidad de amenazas visibles en la zona de aterrizaje, la clase de superficie, el balance de horas de luz y nocturnas, la comunicación con Rosetta.
Agilkia, ubicado en el más pequeño de los dos lóbulos, en la "cabeza del pato", con pocas piedras, ofrecía interesantes formaciones y suficientes horas de iluminación para la recarga de energía de sus baterías secundarias necesarias para sus operaciones en una segunda etapa, más allá de las primeras 64 horas donde se alimentaría de su batería principal. Además, la mayor parte de sus pendientes eran de menos de 30° en relación al eje vertical local, lo que reducía las posibilidades que Philae se diera vuelta cuando tocara la superficie.
Que su nombre pasara de "J" a "Agilkia" fue cuestión de un concurso realizado en octubre de aquel año. El lugar alternativo, el "C" no recibió ningún nombre especial y, a final de cuentas, no fue necesario utilizarlo. Sin embargo, hasta el 15 de octubre que se ratificó la decisión, ambos lugares fueron objeto de profundo estudio, al igual que la fecha definitiva para el descenso de Philae, el 12 de noviembre.
El descenso hacia el cometa sería pasivo, sin propulsión ni sistema de guiado y solo se podría predecir que el aterrizaje ocurriría en su "elíptica". Los planes originales indicaban que dada la poquísima gravedad del cometa, de solo cuatro kilómetros de diámetro, Philae pasaría de pesar 100 kg a solo 10 gramos, alcanzando su objetivo a velocidad de paseo, necesitando ser anclada a la superficie, con arpones, para que quedara bien sujeta y evitar así salir rebotar hacia el espacio.
Durante las pruebas previas realizadas en la noche del 11 de noviembre, se descubrió que no podía ser activado un sistema adicional de descenso activo que proporcionaría impulso y ayudaría a evitar que Philae rebotara. Se decidió confiar solo en los arpones. "Necesitaremos tener algo de suerte para no aterrizar en una roca o en una pendiente fuerte", describiría Stephan Ulamec, Philae Lander Manager.
El propio 12 de noviembre, a las 02:35 GMT se confirmó el estado de Philae y se verificó que Rosetta se encontraba en el lugar adecuado para dejarlo caer. A las 07:35 GMT Rosetta se colocó a unos 22.5 kilómetros del centro del cometa.
A las 08:35 GMT Philae finalmente se desprendió de Rosetta quien maniobró hacia arriba alejándose del cometa, aunque hubo que esperar para saberlo y celebrarlo hasta 28 minutos y 20 segundos después, lo que tardaban en ese momento en llegar al ESOC las señales de Rosetta, es decir, esperar hasta las 09:03 GMT para recibir la confirmación de la separación.
Y la espera duró lo mismo cuando siete horas después Philae finalmente aterrizaría en el Cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko, dentro de la elipse prevista según lo confirmaron las cámara ROLIS y OSIRIS de Philae y Rosetta respectivamente y por eso fue que se terminó celebrando a las 16:03 GMT , en y en hora de la Tierra, lo que había ocurrido, haciendo historia, historia de la grande, a las 15:34:04 GMT, en y a la hora del cometa. En realidad, Philae aterrizaría no una sino varias veces pero igual, lo había logrado.
"Nuestra ambiciosa misión Rosetta se ha ganado un lugar en los libros de historia. No solo es la primera en entrar en órbita de un cometa; ahora se ha convertido también en la primera en colocar una sonda de aterrizaje en la superficie de un cometa" declaraba eufórico, con justa razón, Jean-Jacques Dordain, Director General de la ESA.
PHILAE EN EL COMETA
La cámara OSIRIS de Rosetta proporcionó una muestra de los últimos instantes de Philae antes de tocar superficie, imágenes tomadas a 15.5 kilómetros, de las 15:14 GMT en adelante, durante treinta minutos, donde se comprueba su trayectoria, incluso haciendo notar la diferencia entre el antes y después del primer contacto con aquella.
Philae fue o es un condensado de diez instrumentos científicos desarrollados por países miembros de la ESA en asociación con Estados Unidos, Hungría, Polonia y Rusia, algunos de los cuales ya habían sido probados cuando Rosetta estuvo a tan solo 3162 kilómetros de distancia del asteroide Lutetia, el 12 de julio de 2010.
Durante las 64 horas iniciales, aquellos instrumentos estarían ocupados en conseguir una panorámica del lugar de aterrizaje con secciones en 3D, imágenes en alta resolución de la superficie del cometa justo debajo del módulo, análisis in situ de la composición de sus materiales, muestras de una profundidad de 23 centímetros para ser analizadas ahí mismo, medición de las propiedades eléctricas y mecánicas de la superficie y hasta intercambiar señales de radio de baja frecuencia con Rosetta a través del núcleo del cometa para estudiar la estructura interna.
A pesar de lo accidentado que terminó siendo el aterrizaje, operaciones científicas se realizaron durante el descenso y después de él, activadas con el primer impacto, mientras funcionó su batería principal.
De a poco se empezó a ver la belleza fría de aquí no ha pasado nada, como en efecto no ha pasado nada, del cometa, proporcionada por el ROLIS "Rosetta Lander Imaging System", responsable de tomar las primeras imágenes del lugar de aterrizaje, mostrando que la superficie estaba cubierta de polvo y restos de tamaños entre el milímetro y varios metros.
Fue gracias a otro instrumento, el ROMAP, "Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor", con el propósito de estudiar el campo magnético y el plasma del cometa, que se supo que Philae rozó la superficie varias veces porque fue por él que se pudo seguir la pista de la trayectoria final, cazando la estela magnética que dejó tras de sí originada por los circuitos electrónicos en su interior.
Pero nadie se hubiera imaginado que Philae aterrizaría no una sino varias veces, tres, algunos suman una cuarta, en medio de un viaje que parece de otro mundo, como en efecto lo es. Inmediatamente después del primer impacto, la sonda se levantó de la superficie de nuevo durante 1 hora y 50 minutos, viajando a una velocidad de 38 centímetros por segundo, alrededor de un kilómetro. A las 16.20 hubo un rápido contacto de una de sus tres plataformas de aterrizaje. Posteriormente dio un segundo rebote, a las 17:25, viajando unos 3 centímetros por segundo y aterrizando siete minutos después en el lugar donde finalmente quedó, sin anclar a la superficie, a las 17:32, sin que aun se cuente con una confirmación visual de dicho lugar que, de cualquier forma, hoy ya tiene nombre, "Abydos". De paso, probando que los cometas tienen una superficie dura, muy dura.
El SESAME, "Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiment", creado para tomar muestras sonoras e investigar los parámetros mecánicos y eléctricos del cometa, se puso en marcha durante el descenso y registró claramente el primer contacto de Philae. Se sabe que en cuestión de interpretaciones acústicas no hay ni buenas ni malas opciones; a mí me sonó casi como con un aire acuático, como un chapoteo al pasar.
Aunque un viaje tan accidentado complicó conocer la ubicación final de Philae diversos instrumentos dieron información sobre la zona en que se encuentra. La cámara CIVA envió una imagen panorámica que daría impresión que Philae estaría cerca de un muro rocoso y, tal vez, con una de sus tres plataformas de aterrizaje en el espacio, para no decir al aire que en este caso para nada corresponde.
Del experimento CONSERT, "COmet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission", creado para estudiar la estructura interna del núcleo del cometa, se pudo reducir la búsqueda a dos zonas específicas. Otra fotografía tomada por la Cámara OSIRIS, el 12 de noviembre, ubicaría a Philae en el borde de una gran depresión llamada "Hatmehit", una de las 19 regiones geomorfológicas en que los investigadores dividieron el cometa, regiones que fueron agrupadas en cinco categorías, una de ellas las de las "depresiones a gran escala", a la que pertenece Hatmehit, la "diosa pez", la "señora de los pescados" en la mitología del Egipto antiguo.
Con la información recolectada, a falta de ubicación visual, ya se cuenta con una visualización de un modelo topográfico donde, sí, en efecto, se ve a Philae incómodo, como resignado entre dos como paredes rocosas, una más grande que la otra, como que demasiado protegido.
Gracias al MUPUS, "MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science", un grupo de sensores para estudiar las propiedades de la superficie del cometa y sus primeras capas, sabemos que en "Abydos" se registró una temperatura de -153° C. MUPUS empezó a martillar en el suelo pero no pudo hacer más que unos pocos milímetros de progreso, incluso a la mayor potencia, acaso, señalaron los investigadores, debido a una superficie dura comparable a la del hielo sólido. Las capas superiores de la superficie del cometa parecían consistir de un polvo de entre 10 y 20 centímetros de espesor, superponiendo hielo fuerte y mezcla de hielo y polvo. A gran profundidad, el hielo seguramente se volverá más poroso, como sugirieron las mediciones de Rosetta sobre la baja densidad total del núcleo del cometa.
El SD2, "Sampling, drilling and distribution subsystem", dispuesto para excavar hasta 23 cm de profundidad y trasladar las muestras a los instrumentos COSAC Y PTOLOMEO, fue el último instrumento activado dado el temor por la precariedad de la posición de Philae. Fue la primera vez que se taladró un cometa o, al menos, se supone. El taladro se desplegó como estaba previsto, se extendió 46,9 cm por debajo del balcón de Philae y 56,0 cm de su punto de referencia y se movió hacia el carrusel interno que la llevó a uno de sus hornos quedando alineado al COSAC. Sin embargo, no se supo cuánto material fue efectivamente entregado por el SD2 o si el polvo o gas resultante entró al instrumento.
También pudo suceder, debido a que Philae no estaba anclado a la superficie del cometa, que si el taladro tocó una superficie de material particularmente duro pudo haberse movido el propio Philae en lugar de perforar la superficie. Más aún, en realidad el SD2 carecía de sensores para determinar si el taladro alcanzó o no la superficie, si una muestra fue recogida en el tubo, si fue descargada en el horno o si realmente COSAC procesó el material. Pero aun para ese escenario lleno de incógnitas una foto tomada por ROLIS mostraba que el taladro al menos había interactuado con la superficie.
Las dificultades del SD2 no impidieron que el COSAC y el Tolomy tomaran sus propias muestras. El COSAC, "The COmetary SAmpling and Composition experiment", para la detección e identificación de moléculas orgánicas complejas y el PTOLEMY, "MODULUS protocol - Methods Of Determining and Understanding Light elements from Unequivocal Stable isotope compositions", para entender la geoquímica de los elementos ligeros como el hidrógeno, el carbono el nitrógeno y el oxígeno.
Mientras todo ello ocurría otra preocupación era la de la energía disponible. Las baterías secundarias, las cargables mediante los paneles solares no se podrían utilizar dado que a diferencia de las casi 7 horas de iluminación por cada 12.4 horas de día cometario previstas de encontrar en el lugar original, en el que se encuentra solo tiene disponible 1.5 hora de luz solar.
Para el sábado 15 de noviembre, después que Philae fue elevado unos 4 cm y girada unos 35° esperando que recibiera más luz solar, enviar datos de mantenimiento y los últimos de los instrumentos incluyendo el ROLIS, COSAC, Ptolemy, SD2 y CONSERT, a las 00:36 GMT//01:36 CET sus baterías principales se consumieron y se cortó la comunicación.
En aquel momento Rosetta se situaba en una órbita a 30 kms de la superficie del 67P/CG, prosiguiendo su persecución del cometa en su viaje al sol, a pesar del silencio de Philae. Desde ese momento, la comunicación depende de la energía solar que pueda recolectar, posibilidad que se incrementó con la elevación y el giro hechos en noviembre. La prolongación de las operaciones, en una segunda etapa, dependería/dependerá de la batería secundaria recargable, si las condiciones de iluminación solar lo permitieran y si el polvo sobre los paneles solares no lo impidiera; la esperanza que nunca se da por vencida. Philae necesita recargarse a unos 17 vatios de potencia para activarse y comunicarse con Rosetta, que, además, también deber estar en la posición correcta.
Desde que calló se le empezó a buscar visualmente utilizando imágenes de alta resolución de la cámara OSIRIS de Rosetta. Pero la tarea no es nada sencilla dado que la búsqueda, explicaron, se hace de un conjunto de tres puntos que corresponden al módulo de aterrizaje; sin embargo, tales puntos son muy comunes en esa superficie llena de rocas, generando muchos "tres puntos".
Su búsqueda visual continúa pero su hibernación lo dificulta. La tarea no es nada sencilla dado que la búsqueda se hace de un conjunto de tres puntos que corresponderían al módulo de aterrizaje; sin embargo tales puntos son muy comunes en esa superficie llena de rocas, generando muchos "tres puntos", confundiendo cualesquiera puntos.
Incluso el pasado 14 de febrero que Rosetta se aproximó tan cerca como a 6 kilómetros del cometa, posiblemente porque la trayectoria previamente trazada no resultaba ser la mejor para ese propósito, los resultados fueron negativos. Sin embargo, Philae continúa ahí, a la espera de su propia señal de vida o de nosotros, homenajeando semejante logro humano.
Walter Farah Calderón
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