La estela de Cassini: ¿cómo podría una nave espacial alterar sus propias medidas?


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09/10/2021
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Simplemente moviéndose a través de los cielos, las naves espaciales cambian el espacio a su alrededor. Estas interacciones son invisibles a simple vista, pero pueden poner en peligro el desempeño y la seguridad de la misión. Un nuevo estudio de la ESA Resarch Fellow simuló la nave espacial Cassini en las cercanías de Saturno, comparando los hallazgos con las mediciones espaciales reales. Revela que Cassini emitió una ‘estela de iones’ hasta 6 m detrás de ella, un vacío de partículas de plasma como el rastro de un barco.

Cassini entre Saturno y los anillos

El espacio puede ser un vacío, pero está lejos de estar vacío, inundado de partículas cargadas y campos electromagnéticos. Este estudio, publicado en el Journal of Geophysical Research: Física espacial, empleó un software financiado por la ESA llamado Spacecraft Plasma Interaction System (SPIS), que se utiliza para modelar la interacción entre las naves espaciales y estos entornos circundantes.

«Este estudio marca la primera vez que estas simulaciones se han comparado y confirmado con mediciones reales de naves espaciales de un planeta más allá de la Tierra», explica. Becario de investigación de la ESA Mika Holmberg, que pasó tres años en la ESA Sección de efectos y entornos espaciales en el ESTEC centro técnico en los Países Bajos.

Campo magnético de Saturno

El estudio se centró en la Nave espacial NASA-ESA-ASI Cassini-Huygens, que abandonó la Tierra en 1997 para una odisea de casi dos décadas para explorar Saturno y sus lunas principales. El campo magnético del gigante gaseoso es el segundo más grande de todos los planetas, poblado por partículas cargadas que se originan tanto en el propio Saturno como en sus 82 lunas.

Mika comenta: “El conjunto de instrumentos de Cassini incluía una sonda Langmuir, un electrodo que se extiende desde el cuerpo de la nave espacial. Piense en ello como una ‘estación meteorológica espacial’, para medir la densidad, temperatura y velocidad de las partículas cargadas que rodean la nave espacial. Este instrumento proporcionó datos sólidos para confirmar la precisión de nuestra simulación SPIS «.

Plumas de Encelado

Este tipo de simulaciones son útiles en principio para cualquier nave espacial o instrumentación colocada en el espacio, pero especialmente para misiones científicas enfocadas a estudiar los entornos espaciales de los planetas, incluida la Tierra.

Mika agrega: “Son importantes para análisis precisos de partículas y mediciones de campo de misiones planetarias, incluida la caracterización directa de entornos espaciales como las magnetosferas, el viento solar, las ionosferas de planetas y lunas, incluso posibles columnas que surjan de ellas. Cassini nos dio un ejemplo emocionante de este último cuando pasó a través de una columna que se originó en la luna helada Encelado, revelando evidencia de agua líquida debajo de su superficie congelada.

Daño por descarga electrostática

«Pero, de manera crucial, los resultados de los instrumentos in situ también pueden interpretarse incorrectamente si las interacciones locales no se contabilizan adecuadamente, como las estelas formadas por la nave espacial».

SPIS también se emplea comúnmente para modelar la ocurrencia de cargas superficiales en varias superficies de naves espaciales, lo que puede dar lugar a una ‘descarga electrostática’, esencialmente un tipo de rayo espacial que corre el riesgo de dañar gravemente los subsistemas o incluso puede amenazar con la pérdida de la misión. Esta carga de la nave espacial es impulsada a su vez por las partículas y la radiación que la rodea.

Modelando la densidad de iones alrededor de Cassini

Incluso la luz solar sostenida libera electrones de las superficies de las naves espaciales, un factor que debe tenerse en cuenta en el modelado.

Mika señala: “Estos conocimientos son importantes también para futuras misiones planetarias, como Europa Clipper de la NASA y las de la ESA Jugo de la misión de Júpiter. Realizamos una gran cantidad de simulaciones para Juice que en realidad dieron como resultado el cambio de algunos materiales de la superficie, ya que las simulaciones mostraron que la misión podría estar en peligro con la selección original «.

Sonda Langmuir de Cassini

SPIS es un software de código abierto iniciado en 2001 por la ESA con el apoyo de la agencia espacial francesa. CNES en colaboración con el laboratorio aeroespacial francés ONERA y el Artenum empresa.

“Tener la oportunidad de trabajar en la ESA con los expertos que realmente participaron en el desarrollo del software fue una oportunidad de oro”, añade Mika.

La odisea joviana de Juice

El especialista en efectos y medio ambiente espacial de la ESA Fabricie Cipriani supervisó el trabajo de Mika en ESTEC: “La complejidad y la sensibilidad de los instrumentos científicos para las exploraciones planetarias continúan creciendo. Por lo tanto, las herramientas de simulación de este tipo son esenciales tanto para identificar problemas potenciales durante las primeras fases de desarrollo como para garantizar la interpretación precisa de los resultados una vez que un instrumento está volando, si, como en el caso de Cassini, la interacción de la nave espacial con su entorno es significativa.

“Y además de su trabajo en Cassini, Mika también realizó un trabajo desafiante modelando los niveles de carga de la superficie de Juice durante su exploración de las lunas galileanas de Júpiter. Ahora tenemos un modelo completo para la nave espacial Juice que será muy útil para una evaluación posterior, luego, una vez en Júpiter, la explotación real de los datos de la misión «.



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