EL EXPLORADOR QUE NOS REVELÓ LOS SECRETOS DE SATURNO

El gran final de Cassini

Juan Diego Soler

La sonda interplanetaria más grande jamás construida por la NASA comenzó su viaje por nuestra galaxia en 1997. Este mes será destruida.

Comienza la última misión de Cassini, la sonda interplanetaria más grande jamás construida por la NASA, que partió en 1997 desde nuestro planeta y deambuló por el Sistema Solar durante siete años hasta obtener el impulso gravitacional para llegar a Saturno, el sexto planeta alrededor del Sol, un gigante gaseoso 764 veces más grande que la Tierra y recordado por el prominente sistema de anillos que lo rodea.

Desde 2004, Cassini ha orbitado alrededor de Saturno revelando detalles sin precedentes sobre la estructura tridimensional de sus anillos, descubriendo siete lunas que hasta ahora eran desconocidas y mostrando por primera vez la gran estructura hexagonal y los enormes huracanes en los polos del planeta gaseoso. Pero después de estos años de servicio, Cassini comienza a agotar los gases de propulsión que le permiten maniobrar. Por esa razón y para evitar una posible colisión que podría contaminar a Encélado o Titán, dos lunas con ambientes que podrían albergar formas de vida, Cassini entra en la maniobra final de su misión.

El próximo 22 de abril, la sonda iniciará una serie de órbitas en las que sobrevolará Saturno entre el planeta y sus anillos hasta que el 15 de septiembre se precipite sobre la parte alta de su atmósfera, en donde se fundirá como un meteoro. Durante este épico final, Cassini seguirá recolectando información sin precedentes sobre el planeta y su fascinante sistema de anillos, que para los astrónomos es un laboratorio activo en donde estudian los procesos de formación de lunas y planetas. La destrucción de Cassini marcará el final del proyecto en el que participaron más de 260 científicos de 17 países y miles de técnicos e ingenieros que trabajaron en el diseño, construcción y lanzamiento de la misión.

La sonda lleva el nombre de Giovanni Domenico Cassini, el astrónomo italiano que no solamente descubrió cuatro de las lunas de Saturno y la división de sus anillos, sino que además fue protagonista en la fundación del observatorio de París durante el reinado de Luis XIV, iniciando así la tradición de investigación en astronomía en Francia.

Su misión ha sido recabar información para dos preguntas fundamentales sobre nuestra existencia: ¿hay formas de vida en otros lugares del Sistema y Solar? y ¿cómo se formaron el Sistema Solar y la Tierra?

Por eso, más allá de la impresionantes fotografías de los anillos y las lunas de Saturno, que bien desafían a la imaginación llevando a nuestros ojos detalles de estos mundos lejanos, Cassini ha permitido obtener una imagen más completa de la condiciones físicas en este planeta y sus satélites, particularmente la luna Titán, que se sospechaba como un mundo muy similar a la Tierra en su etapa primitiva. Para comprobarlo, Cassini liberó sobre Titán la sonda robotica Huygens, construida por la ESA y que lleva el nombre del astrónomo holandés que la descubrió en el siglo XVII.

Huygens descendió sobre la espesa atmósfera de Titán a comienzo de 2005 y tras dos horas y media de travesía se posó sobre su superficie sólida, completando así el primer aterrizaje en un objeto celeste más allá de la órbita de Marte. En 350 fotografías, que transmitió a través de Cassini, Huygens reveló que Titán posee ríos, lagos y océanos cuya superficie se evapora y se precipita como lluvia que esculpe montañas y valles. Pero a diferencia de la Tierra, los ríos de Titán no están compuestos de agua, sino de metano, el principal componente de lo que conocemos como gas natural, que a 180 grados Celsius bajo cero, la temperatura en esa luna, es líquido.

Para Cassini, esa era apenas la primera etapa del viaje en el que sobrevoló los anillos de Saturno descubriendo complejas subestructuras y revelando que este sistema posee su propia atmósfera rica en oxígeno molecular independiente del planeta. Cassini registró en vivo la enorme tormenta que se formó en el hemisferio norte de Saturno en 2010 y que eventualmente cubrió a todo el planeta durante meses. También observó de cerca las lunas heladas de Saturno, incluyendo Encélado, que refleja casi toda la luz del Sol y en donde descubrió evidencias de océanos líquidos bajo su superficie congelada. También en Encélado, Cassini descubrió chorros de vapor ricos en agua emitidos desde la región polar y durante estas últimas órbitas, la sonda intentará atravesar está zona para estudiar de cerca este fenómeno de vulcanismo a bajas temperaturas.

Antes de su final, Cassini estará más cerca de Saturno que ningún otro instrumento en la historia de la humanidad. En los siguientes meses seremos testigos de una cosecha de imágenes en alta resolución de los anillos de este gigante gaseoso y de gran cantidad de información sobre las partículas que los componen. Después de desintegrarse en su descenso final, Cassini se unirá al panteón de misiones espaciales que nos han permitido conocer nuestra vecindad y cuyas observaciones son el testimonio de la curiosidad de nuestra especie por entender su origen.

Crónicas desde el gigante anillado: diez años de la Cassini en Saturno

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Es la sonda automática de la NASA más cara jamás lanzada. Gracias a ella hemos contemplado las maravillas de Saturno y sus lunas con un detalle sin precedentes. Mares de metano, chorros de agua expulsados al espacio, huracanes del tamaño de la Tierra… estos son algunos de los muchos descubrimientos que nos ha regalado esta sonda. Hoy, la sonda Cassini cumple diez años alrededor del gigante anillado.

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El polo norte de Saturno visto por la Cassini en 2013 (NASA/JPL).

Historia de una misión

Los antecedentes de la misión Cassini-Huygens se remontan a 1973, cuando el centro Ames de la NASA propuso lanzar a Saturno una versión de la sonda Galileo (por entonces conocida como Jupiter Orbiter Probe). Hay que tener en cuenta que por aquel entonces ninguna nave había visitado Saturno y sus lunas, pero la comunidad científica ya consideraba que se trataba de un objetivo prioritario. Al igual que Júpiter, Saturno no era un simple planeta, sino un auténtico Sistema Solar en miniatura con decenas de satélites y, por supuesto, los bellos y enigmáticos anillos. Las sondas Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 y Voyager 2 debían atravesar rápidamente el sistema y realizar una primera exploración superficial, pero Saturno se merecía una sonda que orbitase alrededor del planeta y no se limitase a pasar zumbando.

En 1975 el Consejo Nacional de Investigación de los EEUU recomendó la exploración en detalle de Saturno y sus lunas y en 1977 la NASA puso en marcha la iniciativa Purple Pigeons aprovechando el éxito de las sondas Viking, que habían aterrizado con éxito en Marte el año anterior. Purple Pigeons debía ser una nueva familia de sondas que explorase varios destinos ‘excitantes’ -para el gran público, se entiende- del Sistema Solar. Una luna de Saturno en concreto despertaba un especial interés entre los científicos. Y es que Titán, además de ser el satélite más grande de Saturno y el segundo más grande del Sistema Solar tras Ganímedes, poseía atmósfera propia. De hecho, es la única luna con una atmósfera significativa -con permiso de Tritón o Caronte-, una rareza debida a las bajas temperaturas de las que goza este pequeño mundo. No es de extrañar que Titán fuese identificado como uno de los objetivos prioritarios para una misión Purple Pigeons.

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Titán y Saturno vistos por la Cassini (NASA/JPL).

Titán despertaba tantas pasiones que la Voyager 1 fue ‘sacrificada’ en 1980 para estudiar en detalle este satélite. Efectivamente, la trayectoria de la sonda pasó tan cerca de la luna que su gravedad, combinada con la de Saturno, la desvío fuera del plano de la eclíptica, impidiendo que la nave pudiese continuar hacia Urano y Neptuno. El interés por Titán era tan alto que la NASA estaba dispuesta a enviar a la Voyager 2 en la misma trayectoria en caso de que la Voyager 1 sufriese algún fallo antes del encuentro, perdiendo así la única oportunidad en décadas de estudiar los dos planetas más exteriores del Sistema Solar.

El encuentro de la Voyager 1 con Titán desveló un mundo rodeado por una densa atmósfera compuesta principalmente por nitrógeno y metano, pero resultó imposible atisbar la superficie por culpa de una espesa neblina de compuestos orgánicos que cubría toda la luna. Titán resultó ser un mundo aún más apasionante de lo esperado, con una compleja química orgánica que atrajo el interés de los astrobiólogos de todo el mundo. Y, por si fuera poco, la existencia de un océano global de metano en Titán cobró fuerza tras la visita de las Voyager. Si una misión específica a Titán había sido considerada como importante, ahora era una prioridad. Las Voyager 1 también revelaron un sistema de lunas muy variado, entre las que destacaban Jápeto y su misteriosa dicotomía entre los hemisferios de distinto color, o Encélado, con evidencias de actividad geológica en el hemisferio sur. Igualmente, la atmósfera de Saturno y su sistema de anillos resultaron ser todavía más fascinantes y extraños si cabe.

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Titán visto por la Cassini. En longitudes de onda visibles la luna está rodeada por una densa neblina orgánica que impide ver la superficie (NASA/JPL).

Tras el encuentro de las Voyager con Saturno surgieron en la NASA varias propuestas de misiones a Saturno. Prácticamente todas incluían un orbitador dotado de la capacidad para realizar mapas de la superficie de Titán mediante radar, atravesando la opaca atmósfera de la luna, y un aterrizador que se posaría en la superficie. Los primeros diseños de aterrizadores estaban basados en las sondas Viking marcianas (eso sí, capaces de flotar en el hipotético océano de metano), mientras que para el orbitador se pensó usar la tecnología de la futura sonda Magallanes para el estudio de Venus. Desgraciadamente, todos estos planes cayeron en el olvido por culpa de las dificultades presupuestarias de la NASA, unas dificultades que casi se llevan por delante a la sonda Galileo.

A principios de los 80 se produjo un acercamiento entre Francia y la NASA para llevar a cabo una posible misión conjunta a Saturno. A estos primeros contactos se sumó el Instituto Max Planck alemán en 1982 y nació así una auténtica propuesta de cooperación entre la NASA y la agencia espacial europea (ESA). La propuesta se denominó provisionalmente Titan Probe and Radar Mapper, haciendo referencia a los dos vehículos que formarían la misión. En 1983 el Comité de Exploración del Sistema Solar de los EEUU favoreció una misión a Saturno y a Titán y al año siguiente se completó un estudio conjunto de una misión a Saturno por parte de la NASA y la ESA. Aunque en un principio se jugó con la idea de que la ESA suministrase el orbitador y la NASA la sonda de aterrizaje (la ESA carecía por entonces de cualquier experiencia en intentar aterrizar en otro mundo), en 1985 se acordó que los EEUU se encargarían del orbitador. La decisión fue tomada por parte de un grupo de trabajo creado entre la Academia Nacional de Ciencias de EEUU y la Fundación Espacial Europea. Por entonces se preveía que el lanzamiento tendría lugar en 1990 y que se tardarían ocho años en llegar a Saturno. La misión fue denominada Cassini en honor del astrónomo italiano Giovanni Domenico Cassini, que en los siglos XVII y XVIII estudió Saturno y llegó a descubrir cuatro de sus lunas (Jápeto, Dione, Rea y Tetis).

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Representación artística del descenso de Huygens en Titán (NASA/ESA).

En 1986 comenzó la Fase A del estudio del diseño de la sonda de aterrizaje en Titán por parte de la ESA, que sería completado al año siguiente. Esta decisión no estuvo exenta de críticas. Muchos en la ESA dudaban de la fiabilidad de la NASA después de que la agencia norteamericana se retirase unilateralmente de la misión conjunta Solar Probe Mission (que terminaría volando como la misión europea Ulysses).

La NASA también finalizó la Fase A de la sonda Cassini en 1987. Por entonces ya estaba claro que sería la sonda más cara y compleja lanzada al Sistema Solar exterior, superando con creces a la misión Galileo. Cassini debía ser lanzada desde el transbordador espacial en 1994 usando una etapa superior criogénica Centaur-G’. Pero esta combinación, que también iba a ser usada por la Galileo, era insuficiente para situar a la pesada Cassini en una trayectoria directa hacia Saturno. Fue necesario introducir maniobras de asistencia gravitatoria para empujar a Cassini hasta su objetivo. Como resultado, la sonda pasaría en 1997 por la Tierra y llegaría a Saturno en 2002, pasando por el asteroide Themis.

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Los anillos de Saturno y varias lunas vistas por la sonda Cassini (NASA/JPL).

Una vez en órbita de Saturno la nave emplearía la gravedad de Titán para moverse por el pequeño Sistema Solar que forman las lunas de Saturno. A diferencia de Júpiter, donde existen cuatro satélites de gran tamaño capaces de modificar la trayectoria de una sonda de forma flexible, en Saturno solamente Titán posee la masa suficiente para esta tarea. Durante los cuatro años que duraría la misión primaria en Saturno, Titán proporcionaría una Delta-V de unos 33 km/s, una cifra realmente enorme. La sonda europea se soltaría del orbitador Cassini unos diez días antes del descenso en Titán y entraría en su atmósfera a 6 km/s. La atmósfera de Titán es muy densa, pero la baja gravedad de la luna provoca que se extienda hasta alturas que en la Tierra consideraríamos propias del vacío espacial. La sonda europea no estaría equipada con generadores de radioisótopos (RTGs), por lo que su vida útil estaría limitada por las baterías de a bordo. Los datos serían transmitidos a la Tierra usando el orbitador Cassini, así que su misión duraría lo que tardase en ponerse el orbitador por el horizonte local de la zona de aterrizaje. Por este motivo la sonda europea soltaría el paracaídas principal y abriría uno de menor tamaño para descender más rápidamente a través de la atmósfera. El impacto se produciría a una velocidad no superior a los 4 m/s y la sonda estaría equipada para flotar en el hipotético océano de metano.

En 1987 la NASA cambió radicalmente su propuesta de diseño de la Cassini y optó por usar la plataforma Mariner Mark II para construir la sonda. Esta plataforma debía ser usada por la nueva generación de misiones más allá de Marte, pero por aquel entonces la NASA tenía la intención de emplearla únicamente en las misiones Cassini y CRAF (Comet Rendezvous Asteroid Flyby), esta última una sonda destinada a estudiar varios asteroides y cometas. El empleo de la plataforma Mariner Mark II permitiría en teoría ahorrar unos 500 millones de dólares en una misión que ya había superado la barrera de los 1600 millones impuesta por el Congreso. Para entonces se esperaba lanzar a Cassini el 6 de abril de 1996, mientras que la llegada a Saturno tendría lugar el 6 de diciembre de 2002. Por su parte, la ESA seleccionó en noviembre de 1988 la sonda a Titán como primera misión de tamaño medio M1 del programa Horizonte 2000. En el proceso se decidió bautizar la misión como Huygens, en honor del descubridor de Titán, el astrónomo holandés Christiaan Huygens. La misión NASA/ESA sería conocida a partir de entonces de forma oficial como Cassini-Huygens.

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La malograda sonda CRAF para el estudio de cometas y asteroides (NASA).

En octubre de 1989 ambas agencias publicaron sendos anuncios para que la comunidad internacional mandase propuestas para los instrumentos científicos de las dos naves, al mismo tiempo que el Congreso de EEUU aprobaba el desarrollo de las misiones Cassini y CRAF. En 1991 la fecha de lanzamiento se adelantó al 25 de noviembre de 1995 después de añadir un sobrevuelo de Venus a la trayectoria (que, recordemos, ya pasaba por la Tierra), de tal forma que llegaría a Saturno en mayo de 2004, dos años más tarde de lo previsto. Para compensar la mayor duración del viaje se añadió un tercer generador de radioisótopos (RTG) a los dos ya previstos. A cambio, Cassini sobrevolaría el asteroide Clarissa en noviembre de 1998.

Todo parecía marchar viento en popa, pero en enero de 1992 la NASA decidió cancelar la sonda CRAF por culpa de los enormes sobrecostes asociados a la Mariner Mark II. Durante unos meses la agencia espacial intentó sacar adelante la Cassini en solitario usando el diseño Mariner mark II, pero fue imposible. En mayo de 1992 la misión Cassini sería nuevamente aprobada, pero sólo después de que su diseño sufriese cambios radicales y se retrasase su lanzamiento hasta 1997, la última ventana de lanzamiento disponible si se quería aprovechar la gravedad de Júpiter para llegar a Saturno.

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Diseño original de Cassini usando la plataforma Mariner Mark II (NASA).

Como resultado se cancelaron las dos plataformas móviles de instrumentos de la Mariner Mark II que proporcionaban a la sonda la capacidad de apuntar a distintos objetivos sin necesidad de maniobrar toda la nave, lo que permitía ahorrar combustible y maximizar el retorno científico. El rediseño de la sonda fue un duro golpe para las capacidades científicas y vida útil de la Cassini. Ahora la nave tendría que moverse como un todo para permitir que un instrumento observase una determinada zona del cielo. También se cancelaron los encuentros con asteroides y se suprimió la pequeña antena que debía retransmitir los datos de la Huygens durante su descenso por Titán. La antena principal sería usada para esta tarea, por lo que no se podrían enviar los datos de Huygens a la Tierra en tiempo real.

No todos los cambios fueron negativos. Por ejemplo, se sustituyó la cinta en los grabadores de datos por un dispositivo de memoria de estado sólido con capacidad para 3,6 gigabits, eliminando un conjunto crítico de sistemas con partes móviles propensas a fallar (algo que le sucedió a la misión Galileo). Por otro lado, la agencia espacial italiana (ASI) llegó a un acuerdo con la NASA para suministrar la antena de alta ganancia (HGA) de Cassini, que además de encargarse de las comunicaciones con la Tierra sería usada también como antena de radar para cartografiar la superficie de Titán a través de su opaca atmósfera. Afortunadamente, la sonda Huygens no se vio afectada por la cancelación del programa Mariner Mark II.

Pero había otro problema. Tras el desastre del Challenger en 1986 se decidió cancelar la etapa Centaur-G’, así que la Cassini no podría ser lanzada con el transbordador. Finalmente la NASA optó por usar un cohete Titán-4B de la Fuerza Aérea, por entonces el vector estadounidense más potente en servicio. Lamentablemente, el cambio de lanzador supuso un aumento en los costes de la misión. Se estudiaron varias opciones de trayectorias mediante asistencia gravitatoria y por fin se eligió una trayectoria VVEJGA, con dos sobrevuelos de Venus (uno en 1998 y otro en 1999) y uno de la Tierra (en 1999) sumada a un sobrevuelo de Júpiter (en 2002) para alcanzar Saturno. La nueva trayectoria llevaría a la Cassini-Huygens a tan solo cien millones de kilómetros del Sol (0,67 UA). Según lo planeado, Cassini-Huygens debería despegar en 1997 y llegar al sistema de Saturno en 2004.

En 1994 y 1995 la misión estuvo muy cerca de ser cancelada por el Congreso después de que se comprobase que su presupuesto había superado con creces los 1600 millones de dólares. Para colmo, si la sonda no hubiera sido lanzada en 1997 habría sido casi imposible completar la misión, ya que se hubiese perdido la oportunidad de sobrevolar Júpiter. Efectivamente, de despegar en 1998 o 1999, Cassini se habría visto obligada a realizar una compleja y larga trayectoria EVEE para llegar a Saturno prácticamente en 2009. La factura de la misión Cassini-Huygens terminó por alcanzar 3300 millones de dólares (4400 millones de dólares de 2010), de los cuales 500 millones fueron aportados por la ESA y 160 millones por Italia.

Las naves

La sonda Cassini era -y sigue siendo- una obra de ingeniería impresionante. Su masa era de 5712 kg (2125 kg en seco) al lanzamiento, algo que puede no ser muy impresionante si lo comparamos con, por ejemplo, un satélite de comunicaciones geoestacionario. Hasta que recordamos que este vehículo debe viajar los 1500 millones de kilómetros que nos separan de Saturno. Cassini era la sonda norteamericana más pesada jamás lanzada, sólo superada a nivel mundial por las sondas soviéticas Mars 8, Fobos 1 y Fobos 2 para el estudio de Marte. Casi la mitad de la masa al despegue de la Cassini era combustible. Y es que la cantidad de propergoles hipergólicos que llevaba en su interior eran el principal factor limitante para la duración de la misión. La masa total con la sonda Huygens acoplada era de 5820 kg.

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Sonda Cassini-Huygens (NASA/ESA).

El cuerpo principal de la sonda era un gran cilindro con el motor principal en un extremo y la antena de alta ganancia en el otro, con unas dimensiones de 6,8 metros de alto y 4 metros de ancho. Bajo la antena se encontraban doce compartimentos dedicados a la aviónica y sistemas electrónicos de la nave. Del cuerpo principal salen varios ‘apéndices’, como la pértiga del magnetómetro de 13 metros de largo y otras tres antenas de 10 metros de longitud pertenecientes al experimento de radio y ondas de plasma. En su interior Cassini alberga más de 12 kilómetros de cables con 22.000 conexiones entre los mismos. Toda la estructura está cubierta con hasta 24 capas de material aislante (mylar, dacron y kapton) para garantizar un régimen de temperaturas adecuado para los sistemas.

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Partes de la sonda Cassini (NASA).

La carga útil de Cassini está formada por sus doce instrumentos científicos (con una masa total de 335 kg), distribuidos la mayoría de ellos en dos plataformas principales. La cámara de la sonda es el instrumento ISS (Imaging Science Subsystem), formada en realidad por dos instrumentos, una cámara de gran angular (WAC, compuesta por un telescopio refractor de 20 cm de focal y una relación f/3,5) y un teleobjetivo (NAC, un refractor de 200 cm con una relación f/10,5). Cada cámara cuenta con un sensor CCD de 1024 x 1024 píxels y varios filtros (18 para la NAC y 24 para la WAC). Las cámaras fueron diseñadas para operar en las ventanas en las longitudes de onda de 0,94 y 1,1 micras en las que la atmósfera de Titán es relativamente transparente.

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Instrumentos de observación remota (NASA).
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Campos de visión de los principales instrumentos de la Cassini (NASA).

Los otros instrumentos son: el espectrómetro VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer), destinado a observar el sistema de Saturno en 352 longitudes de onda distintas (de 0,35 a 5,1 micras) y derivado del instrumento NIMS de la sonda Galileo; el espectrómetro infrarrojo CIRS (Composite Infrared Spectrometer) cuyo objetivo es obtener perfiles de composición y temperatura de las atmósferas de Saturno y Titán en las longitudes de onda de 7 a 1000 micras; el espectrógrafo ultravioleta UVIS (Ultraviolet Imaging Spectrograph) para determinar la composición de las superficies, anillos y atmósferas en las longitudes de onda de 55,8 nm a 190 nm.

Además la Cassini puede usar su antena HGA como radar en cuatro modos distintos: obtención de imágenes (con una resolución de 1 a 1,7 kilómetros), altímetro (con una resolución horizontal de 24-27 kilómetros y una vertical de 90-150 metros), radiometría (midiendo pasivamente la cantidad de energía emitida por Titán) y dispersión (midiendo la energía que devuelve la superficie a estudiar después de iluminarla con el haz radar para poder estimar así su composición). En modo de alta resolución el radar puede proporcionar imágenes de 350 metros de resolución con un ancho de 120-460 kilómetros.

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Cassini-Huygens en tierra (NASA).

Las señales de radio emitidas por la antena también se usan como parte del instrumento RSS (Radio Science Subsystem), capaz de determinar las características de los satélites, atmósferas y anillos de Saturno al medir cuidadosamente el efecto Doppler sufrido por la señal. En la otra plataforma se encontraban tres instrumentos dedicados a la detección de partículas y ondas de radio: el espectrómetro de plasma (CAPS), para determinar la composición, densidad, velocidad del flujo y temperatura de los iones y electrones atrapados en la magnetosfera de Saturno mediante tres sensores (un espectrómetro de electrones capaz de medir partículas con energías de 0,7 a 30.000 eV, un espectrómetro de iones con energías de 1-50 keV y un espectrómetro de masa para iones con energías de 1-50 keV). Otro espectrómetro, el espectrómetro de masas para iones y partículas neutras (INMS) sirve para averiguar los secretos de la magnetosfera de Saturno y, por ende, de su interior. Y, por último, MIMI (Magnetospheric Imaging Instrument), para la detección de partículas neutras y cargadas.

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Instrumentos de partículas y ondas de radio (NASA).

Cassini lleva también un detector de polvo cósmico (CDA) formado por dos detectores capaces de contabilizar hasta diez mil impactos de partículas por segundo y determinar su velocidad, masa y composición. Este instrumento fue diseñado para estudiar la distribución de partículas en el plano de los anillos, pero jugaría un papel crucial en la confirmación de los chorros de agua de Encélado. El magnetómetro MAG o DTM (Dual Technique Magnetometer) permite medir la intensidad, dirección y sentido del campo magnético mediante dos magnetómetros de distinto diseño. El experimento de ondas de radio y plasma (RPWS) mide los campos eléctricos y magnéticos del plasma dentro de la magnetosfera de Saturno, además de la temperatura y densidad de los electrones. RPWS consiste en un sensor de campo eléctrico, una bobina sensible a los campos magnéticos y una sonda Langmuir (para medir la densidad y temperatura de los electrones).

La electricidad de la nave se genera mediante tres generadores de radioisótopos (RTG) a base de plutonio-238. Construidos por General Electric, están situados en la parte inferior de la sonda y producían 815 vatios de potencia eléctrica al despegue y unos 638 vatios tras los primeros cuatro años de la misión en Saturno. Junto con los RTGs, 82 calefactores mediante plutonio (RHUs) se distribuyen por varias partes de la nave para mantener la temperatura adecuada en el frío entorno de Saturno (la sonda europea Huygens tenía baterías químicas convencionales, pero incorporaba 35 RHUs con plutonio-238). En total, la sonda Cassini Huygens llevaba 32 kg de plutonio-238, una cifra muy superior a la de cualquier misión anterior. El sistema de comunicaciones, dominado por la antena de alta ganacia (HGA) de 4 metros de diámetro y 100 kg construida por Alenia Spazio, permite mandar datos a la Tierra en banda X (8,4 GHz) con una potencia de 20 vatios y una velocidad de entre 20 bits/s y 169 kbits/s. Dos antenas de baja ganancia sirven para asegurar la recepción de instrucciones y envío de telemetría independientemente de la posición de la nave con respecto a la Tierra. Una de ellas está situada en la parte superior de la antena HGA y otra en la parte inferior de la sonda. Cassini lleva además un DVD con 616.400 firmas de personas de todo el mundo.

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RTGs de la Cassini (NASA).
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Midiendo la radiactividad de los RTG (NASA/JPL).

El sistema de propulsión consiste un motor principal fabricado por Lockheed Martin, en realidad formado por dos motores redundantes con un empuje de 445 newtons cada uno, destinado principalmente a la crítica maniobra de inserción en órbita de Saturno. En caso de que surgiese un problema con uno de los motores, el ordenador de a bordo puede preparar y encender el otro motor en menos de diez minutos. Las toberas se encontraban protegidas con una cubierta semiesférica móvil que podía ser descartada en caso de que fuera imposible abrirla. La cubierta tenía por objetivo proteger de los micrometeoros el delicado escudo térmico que recubría el interior de las toberas. Además, la sonda cuenta con 16 propulsores de bajo empuje (0,1 newtons) agrupados de cuatro en cuatro junto con otros 8 propulsores de 1 newton de empuje para orientar el vehículo. No obstante, para la mayor parte de cambios de orientación se usan los cuatro volantes de inercia (tres operativos y uno de reserva), aunque para los sobrevuelos muy cercanos -o para el uso del radar en Titán- los propulsores son el sistema de orientación preferido.

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Sistema de propulsión de la Cassini (NASA/JPL).
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La sonda Cassini-Huygens antes del lanzamiento (NASA).

Por su parte, la sonda Huygens de la ESA supuso un desafío tecnológico de primer orden. Nunca antes nadie había intentado hacer aterrizar una sonda a 1500 millones de kilómetros del Sol. No se puede dar nada por sentado a las bajísimas temperaturas de la superficie de Titán (unos -180º C). Por ejemplo, la búsqueda de los lubricantes adecuados para las uniones de las líneas del paracaídas resultó una auténtica odisea, sobre todo teniendo en cuenta que los lubricantes usados normalmente en la Tierra son sólidos como la roca a las temperaturas de Titán. Para la ESA, que nunca antes había hecho aterrizar un vehículo en la superficie de otro mundo, Huygens constituyó un auténtico bautismo de fuego en este campo de la astronáutica.

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Sonda de descenso de Huygens (ESA).

Huygens tenía una masa de 320 kg y estaba dividida en cuatro elementos: la sonda propiamente dicha (también denominada Módulo de Descenso, de 1,25 metros de diámetro), el mecanismo de separación de la Cassini, el escudo térmico frontal de 2,7 metros de diámetro y la cubierta térmica trasera. El mecanismo de separación permitía que Huygens se alejase de la Cassini a una velocidad de 0,3-0,4 m/s mediante un conjunto de muelles mientras le imprimía una velocidad de giro de 7 revoluciones por minuto para estabilizarla. El escudo térmico de ablación, de 79 kg y fabricado en Francia por Aerospatiale, estaba compuesto de un material denominado AQ60 dispuesto en losetas -diseñadas originalmente para el transbordador Hermes- capaz de soportar los 1500º C de la entrada en la atmósfera de Titán. La cubierta trasera incluía el sistema de paracaídas. La entrada atmosférica tendría lugar a una velocidad de 6,2 km/s y la aceleración podía alcanzar las 16 g dependiendo de la trayectoria.

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Sección de la sonda Huygens (ESA).
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El escudo térmico de Huygens (abajo) y la cubierta térmica trasera de Huygens (ESA).

Durante el vuelo de crucero la Huygens recibía la electricidad necesaria a través de la Cassini, pero disponía de cinco baterías (de 1800 Wh) para proporcionar potencia a los sistemas de a bordo durante los 22 días que debía durar su vuelo en solitario hacia Titán y posterior aterrizaje. Con el fin de garantizar la rotación de la sonda durante el descenso, la sonda iba equipada con 36 superficies aerodinámicas diseñadas a tal efecto. De esta forma, los distintos instrumentos de Huygens tendrían un campo de visión de 360º. La sonda llevaba además con tres varas para asegurar la conducción de electricidad en caso de ser alcanzada por un rayo, además de dos altímetros radar redundantes. La apertura de los paracaídas y demás elementos de la secuencia de descenso estaba controlada por tres relojes independientes y un acelerómetro. A tales distancias el control directo de la sonda por parte del equipo de la misión eran simplemente imposible. El viaje en paracaídas hasta la superficie duraría unas dos horas y media, por lo que la Cassini fue programada para escuchar las emisiones de la sonda durante tres horas. Los datos de Huygens se enviarían a la Cassini a través de dos transmisores de 12 vatios a una velocidad de 8 kbits/s. En 1995 el sistema de paracaídas de Huygens fue probado dejando caer un modelo desde un globo estratosférico en Suecia.

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Técnicos inspeccionan las capas de material aislante que cubrían el escudo térmico de Huygens (ESA).

Huygens iba equipada con seis instrumentos científicos con una masa total de 48 kg: DISR (Descent Imager/Spectral Radiometer), la cámara de la sonda, diseñada para fotografiar la superficie de Titán durante el descenso y en la superficie en las longitudes de onda de 350 a 1700 nm. En realidad DISR estaba compuesto por un único CCD alimentado por diferentes fibras ópticas de tal forma que, a todos los efectos, funcionaban en realidad como tres cámaras distintas. Gracias a la rotación de la sonda, permitían -en teoría- cubrir toda la superficie bajo la nave. Una lámpara de 20 vatios iluminaría el suelo bajo la Huygens en las etapas finales del descenso y aterrizaje.

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Detalle del sistema de conexión de la Huygens con la Cassini (ESA).

El resto de instrumentos eran: HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument), destinado a medir la velocidad del viento, así como la temperatura, densidad y presión de la atmósfera de Titán; ACP (Aerosol Collector and Pyrolyzer), capaz de capturar partículas suspendidas en la atmósfera de Titán a dos alturas diferentes y calentarlas para vaporizar el hielo y descomponer las moléculas orgánicas; GCMS (Gas Chromatograph/Mass Spectrometer), un espectrómetro de masas para determinar la composición de la atmósfera de Titán; DWE (Doppler Wind Experiment), destinado a medir el viento de Titán y el movimiento de la sonda mediante dos osciladores ultraestables (uno de ellos situado en la Cassini); SSP (Surface Science Package), conjunto de experimentos para determinar las características de la superficie de Titán.

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Partes de Huygens (ESA).
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Instrumentos de Huygens (NASA/ESA).
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Los instrumentos de Huygens (ESA).
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Los instrumentos de Huygens (ESA).

El viaje al señor de los anillos

El 25 de septiembre de 1996 se completó la integración de todos los sistemas de Cassini después de innumerables pruebas y el 11 de octubre se acopló por primera vez un modelo de ingeniería de la sonda Huygens. Todo iba según lo previsto. En abril de 1996 la sonda fue trasladada a Cabo Cañaveral mediante un avión C-17 e inmediatamente varios grupos de activistas ‘antinucleares’ comenzaron a manifestarse para protestar contra el peligro que suponían los 32 kg de plutonio-238 que transportaba la Cassini-Huygens. Poco importaba que los RTG de la Cassini estuviesen diseñados para sobrevivir a una posible explosión del lanzador o que éstos no tuviesen relación alguna con las centrales nucleares de fisión, el objetivo principal de los ataques de estos colectivos. La petición de cancelar el lanzamiento para evitar la ‘contaminación del espacio’ era aún más absurda si pensamos que el medio interplanetario está repleto de todo tipo de radiaciones mortales para un ser humano que no lleve protección. El 3 de octubre la mismísima Casa Blanca se vio obligada a autorizar el lanzamiento ante la insistencia de las protestas.

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Lanzamiento de la Cassini-Huygens mediante un Titán-4B/Centaur (NASA).
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Fases del lanzamiento (NASA).

Tres días más tarde se abrió la ventana de lanzamiento, que se prolongaba hasta el 6 de noviembre. Desgraciadamente, el despegue tuvo que ser abortado cuando se comprobó que una de las cubiertas térmicas de la sonda Huygens había resultado dañada por el sistema de aire acondicionado que debía mantener la temperatura correcta de la carga útil en la rampa. Otro intento en el 13 de octubre fue pospuesto por culpa de los fuertes vientos a gran altura. Finalmente, Cassini-Huygens despegó desde la rampa LC-40 de la Base Aérea de Cabo Cañaveral a las 8:43 UTC del 15 de octubre de 1997 a bordo de un cohete Titán-4B/Centaur. 19 minutos después del despegue, la etapa Centaur encendió su motor durante 7 minutos y 15 segundos para acelerar la sonda hasta la velocidad de escape. Curiosamente, la Centaur situó la sonda en una trayectoria hacia el Sol, no hacia Saturno, con el fin de llevar a cabo las distintas maniobras de asistencia gravitatoria que la llevarían hasta el gigante gaseoso. 43 minutos después del lanzamiento la sonda Cassini se separó de la etapa Centaur para comenzar su largo viaje. Posteriormente la antena de alta ganancia fue orientada hacia el astro rey para evitar que se sobrecalentasen los sistemas de una sonda diseñada para operar a las enormes distancias de la órbita de Saturno. El 23 de octubre se comprobó que los sistemas de la Huygens funcionaban correctamente y poco después la Cassini desplegó el magnetómetro y las antenas del instrumento de plasma.

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Trayectoria de Cassini-Huygens hasta Saturno (NASA).

A pesar de un pequeño fallo que provocó que la sonda entrase en modo seguro el 23 de marzo de 1998, el 26 de abril la Cassini-Huygens pasó a 286 kilómetros de las nubes de Venus, aumentando su velocidad en 7,1 km/s. El 3 de diciembre de 1998 la sonda realizó una maniobra propulsiva en el espacio profundo con una Delta-V de 450 m/s, seguida el 18 de mayo de 1999 por una pequeña corrección de la trayectoria. El 24 de junio la nave pasó otra vez por Venus, esta vez a 603 kilómetros de la superficie, incrementando su velocidad en 6,7 km/s. Los sobrevuelos sirvieron para calibrar algunos instrumentos científicos de la sonda, aunque la observación de Venus no estaba entre las prioridades científicas de la misión. Después de realizar varias correcciones menores, el 18 de agosto Cassini se acercó a 1166 kilómetros de la superficie terrestre sobre la isla de Pascua, en el océano Pacífico, mientras volaba a 16 km/s con respecto a nuestro planeta. Después del sobrevuelo Cassini ya tenía la velocidad adecuada para poner rumbo al fin hacia el Sistema Solar exterior. El 23 de enero de 2000 pasó a 1,6 millones de kilómetros del asteroide 2685 Masursky y, aunque las imágenes obtenidas mostraron el asteroide como un simple punto, sirvieron para calibrar el sistema óptico de la sonda.

La misión se desarrollaba sin problemas dignos de mención, pero en febrero de 2000 el control de la misión se llevó un susto de muerte. Durante una prueba para simular las comunicaciones que tendrían lugar entre Cassini y Huygens durante el descenso en Titán se reveló que el transmisor de la Cassini sufría un defecto que le impediría recibir correctamente los datos de su sonda hermana. Aparentemente, alguien no había tenido en cuenta el cambio de frecuencia del efecto Doppler causado por el movimiento relativo entre los dos vehículos. Después de meses de propuestas y análisis para solucionar este escollo, los equipos de la ESA y la NASA llegaron a una ingeniosa solución de compromiso. La trayectoria de la órbita de la Cassini previa a la liberación de la Huygens se ajustaría al milímetro de tal forma que el desplazamiento Doppler de la señal durante el descenso y aterrizaje no superase los estrechos márgenes del receptor defectuoso. La Cassini debería además rotar la antena continuamente para apuntar hacia la posición prevista de la Huygens en Titán, todo esto teniendo en cuenta el movimiento relativo entre ambos vehículos. Además, la zona de aterrizaje de Huygens, situada en la longitud 190º oeste, se desplazó 20º más al sur. Estos cambios no salieron gratis. El plan de sobrevuelos de satélites de la misión tuvo que ser revisado por completo y la nueva trayectoria de descenso sería responsable de un mayor gasto de combustible. En cualquier caso, el cambio merecía la pena. El equipo de la misión había logrado esquivar un fracaso rotundo por muy poco.

El 14 de junio de 2000 se llevó a cabo una maniobra de 0,6 m/s de cara al sobrevuelo de Júpiter. Previamente, en mayo, la antena de Cassini dejó de ser usada como parasol y comenzó a apuntar directamente a la Tierra. Cassini pasó a casi diez millones de kilómetros de Júpiter el 30 de diciembre de 2000. Este sobrevuelo lejano evitó que la sonda sufriese una dosis excesiva de radiación, pero de todos modos aumentó su velocidad en 2,22 km/s, de tal forma que la nave quedó situada ahora en una órbita solar con un afelio localizado en la órbita de Saturno (9,28 UA). Durante el encuentro Cassini observó la actividad volcánica de Ío y pilló en plena erupción a los volcanes Pele y Tvashtar Catena.

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Júpiter visto por la Cassini en el año 2000 (NASA/JPL).

Cassini se acercaba por fin a su destino. El 22 de mayo se retiró la cubierta protectora de los motores y cinco días más tarde la sonda efectuó un encendido con una Delta-V de 34,71 m/s para asegurarse de que pasaría cerca de Febe, la luna de cierto tamaño más externa en el sistema de Saturno. Debido a la enorme distancia de Saturno a la que orbita, este sería el primer y único sobrevuelo de Febe por parte de Cassini. El 11 de junio Cassini pasó por Febe a menos de dos mil kilómetros. La pequeña luna de 213 kilómetros de diámetro era un cuerpo repleto de cráteres, con restos de avalanchas visibles en las paredes de varios de ellos. Febe resultó ser un centauro, es decir, un cometa formado en el Cinturón de Kuiper que fue capturado por la gravedad de Saturno en algún momento del pasado.

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Febe vista por la Cassini (NASA/JPL/Daniel Macháček)

La sonda tuvo que viajar durante casi un mes adicional para llegar a Saturno. El 1 de julio a las 00:47 UTC Cassini atravesó el plano de los anillos por el hueco formado entre el anillo F y el anillo G. A las 01:12 UTC el motor principal hizo ignición. Así comenzó la crítica maniobra SOI (Saturn Orbit Insertion) y poco después la nave pasaba a 19.900 kilómetros de las nubes del gigante gaseoso. Después de 96 minutos y 22 segundos, el motor se apagó tras gastar 830 kg de propelente. La velocidad de Cassini había descendido en 622 m/s, suficiente para entrar en órbita alrededor de Saturno y convertirse de esta forma en el primer artefacto humano que lograba esta hazaña. Casi siete años después de su lanzamiento, la sonda había llegado a su destino.

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Representación artística de la inserción orbital de la Cassini (NASA).
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Geometría del encendido de inserción en órbita de Saturno (NASA).
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Geometría del encendido de inserción en órbita de Saturno (NASA).
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Primeras órbitas alrededor de Saturno (NASA).

La sonda Huygens se separó en la tercera órbita de la Cassini alrededor de Saturno -y no en la primera como estaba planeado originalmente- el 25 de diciembre de 2004 a las 02:00 UTC. Después de la separación, Cassini maniobró el 28 de diciembre para evitar una colisión con Titán. Huygens viajó en solitario durante 20 días, 2 horas y 41 minutos. El 14 de enero de 2005 a las 09:06 UTC la sonda comenzó la entrada en la atmósfera de Titán viajando a 6,02 km/s con un ángulo de 65,2º respecto al horizonte local. La aceleración máxima registrada fue de 13 g, inferior a los 16 g esperados, pero la temperatura máxima alcanzó los 1700º C. A 155 kilómetros de altura se desplegó el paracaídas piloto de 2,59 metros de diámetro mientras la sonda viajaba a 1440 km/h. Este paracaídas extrajo a su vez el paracaídas principal de 8,3 metros de diámetro y el escudo térmico se separó medio minuto después. 15 minutos después de abrirse el paracaídas principal y con la sonda ya estabilizada, éste se separó y a 111 kilómetros de altura se desplegó un paracaídas más pequeño de 3,03 metros para acelerar el descenso.

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Secuencia del descenso de la Huygens (ESA).
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Geometría del descenso de la sonda Huygens en Titán respecto a la Cassini y a la Tierra (NASA/ESA).

La cámara comenzó a grabar el terreno a 80 kilómetros de altura, aunque la neblina impidió discernir detalles hasta los 30 kilómetros. Para complicar las cosas, Huygens no giraba sobre su eje como se suponía debía hacerlo, por lo que fue imposible cubrir un campo de visión de 360º. La sonda se dirigía hacia lo que ahora sabemos era la cuenca de un antiguo lago de metano. En la lejanía se podían ver los cauces de ríos de metano ahora secos que en algún momento del pasado habían desembocado en la laguna. Huygens tocó la superficie de Titán a las 11:38 UTC, en la región de Xanadú (10,2° sur, 192,4° oeste). Nunca antes un ingenio humano había aterrizado en un mundo situado tan lejos del Sol. La neblina anaranjada de sustancias orgánicas no se aclaró totalmente, por lo que las imágenes que transmitió la sonda son algo borrosas, y eso a pesar de la lámpara que iluminaba la escena. La débil luz solar apenas lograba llegar a la superficie y la luminosidad de la zona de aterrizaje era equivalente a la de la Tierra diez minutos después de ponerse el Sol. Borrosas o no, son las primeras imágenes de la superficie de un mundo desconocido. Al chocar contra el suelo Huygens fracturó una corteza formada por una nieve de sustancias orgánicas y se desplazó ligeramente por un suelo compuesto por rocas y guijarros de agua y ‘arena’ empapada en metano.

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Ls superficie de Titán vista por la Huygens (ESA).

Huygens tomó 376 imágenes durante el descenso y 226 después del aterrizaje (prácticamente la misma escena, puesto que la sonda no se movió). La sonda continuó emitiendo datos desde la superficie durante 1 hora y 12 minutos, momento en el que la Cassini se puso por el horizonte local. Nunca sabremos cuánto tiempo continuó funcionando Huygens sobre la superficie de Titán emitiendo por su cuenta después de haber cumplido con su misión, pero se cree que no pudo aguantar más de veinte minutos. Mención aparte merece la aventura de los ingenieros que lograron rescatar los resultados del experimento para medir la velocidad del viento mediante el efecto Doppler a pesar de que el receptor primario de la Cassini fallase durante el descenso. Gracias a varios radiotelescopios terrestres, que captaron la señal de la Huygens directamente, se pudo reconstruir el perfil de vientos de Titán. La luna se reveló como un mundo con fuertes vientos a gran altitud y una clama chicha en la superficie.

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