Equipos empleados en la investigación espacial en España II

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22 de febrero de 2013.- Toda Estación de Seguimiento Espacial que se precie, tiene que tener un “reloj atómico” (en lo sucesivo RA) y una instalación como la existente en Robledo de Chavela MDSCC (Madrid Deep Space Communications Complex) lo tiene y si se parara, todo el complejo espacial quedaría totalmente imperativo.

Algunas de las preguntas que se suelen hacer las personas no familiarizadas con este tipo de instalaciones son:


-¿Por qué es tan importante tener un RA en una Estación de Seguimiento?

-¿Para que se utiliza?

-¿Es peligroso un RA?

-¿Cómo funciona?

Voy a tratar de dar respuestas a estas y otras interrogantes de la forma más breve posible para no aburrir al personal, reconociendo que no es una tarea nada fácil y más si estas cosas se han aprendido en otro idioma distinto al que estoy usando ahora. Pido disculpas con anticipación porque inevitablemente se me colara algún que otro palabro en “spanglish”.

En primer lugar, como el lector bien sabe, el tiempo es una magnitud física que se puede observar, cuantificar y ser utilizado para medir separación o duración de acontecimientos, siendo empleado en muchas fórmulas matemáticas y funciones físicas.

El tiempo siempre ha sido importante para el hombre tanto en base diaria como a más largo plazo para saber cuándo había que sembrar las cosechas, celebraciones, ritos etc. El primer reloj lo formaban elementos naturales como el Sol o la Luna.

Como siempre, aparecieron nuevas demandas para tener un reloj más manejable que el ofrecido por la naturaleza, que funcionara de día, de noche, se pudiera trasportar etc. y todos conocemos los distintos inventos de los relojes de agua, arena, péndulo, volante, etc.

Para calcular posiciones en la navegación marítima, surgió la necesidad de tener un reloj preciso, que fuera capaz de funcionar en condiciones a veces muy adversas como en medio de fuertes tormentas. Teniendo un reloj preciso abordo y observando determinados cuerpos celestes, se puede hacer algo tan importante para un navegante como calcular dónde se encuentra cuando está muy separado de las costas o cruzando los océanos.

En 1.713 el Gobierno Británico ofreció un premio de 20.000 Libras a quien fuera capaz de construir un reloj que funcionara en un barco y permitiera calcular la “longitud” (posición Este Oeste) dentro de ½ grado de error.

No fue hasta 1. 761 cuando William Harrison (hijo del relojero John Harrison) presentó el invento de su padre y lo probó en un viaje de Londres a Jamaica, logrando una desviación máximas de 1/3 de grado en el cálculo de la “longitud”, reclamando a su regreso la tan preciada recompensa de las 20.000 Libras (que hoy serian aproximadamente más de tres millones de libras) y que cobró aunque con alguna dificultad unos pocos años antes de morir.


Esta nueva herramienta era una de las más preciadas joyas que un barco de la época podía poseer.

Después llegó el reloj de cuarzo, robusto, sencillo y preciso, popularizándose posteriormente los digitales que no necesitan ninguna atención otra que la de cambiarles las pilas cuando se agotan.

Para no alargarme más con la historia y dar satisfacción a los científicos que siempre exigen más y más, llegó un momento en que la investigación espacial necesitaba un reloj de mucha más precisión que los mencionados anteriormente, siendo los mejores candidatos los RA.

Un RA en una Estación de Seguimiento Espacial es algo parecido al “Metro Patrón” de platino e iridio que hay en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en las afueras de París, sus latidos son el patrón que se utiliza para controlar con extraordinaria precisión la mayoría de los procesos. Las señales que genera el RA son las referencias para producir todas las frecuencias que se emplean en los transmisores, receptores, computadoras, etiquetado del tiempo en los datos, displays de tiempos, etc.

Para calcular la posición de una nave espacial con precisión es fundamental tener una buena fuente de tiempo como el RA.

Existe un equipo conocido como “Ranging” para determinar la distancia entre la Estación de Seguimiento y la nave espacial que se basa en medir el tiempo que tarda un código en llegar a la nave y recibirse de nuevo en la Estación (Roundtrip Light Time). Para poder llevar a cabo este proceso con precisión es imprescindible disponer de una fuente muy estable como lo es un RA.




Para los trabajos de Radio-Astronomía como el VLBI (Very Long Baseline Interferometry) que consiste en hacer un seguimiento del mismo cuerpo celeste (generalmente un Cuásar) simultáneamente desde al menos dos Estaciones distintas, no solamente hay que tener una fuente muy estable como el RA sino que los RAs intervinientes deben de estar perfectamente sincronizados en las Estaciones involucradas en el seguimiento para hacer posible la correlación de los datos. Con esta técnica se pueden medir derivas continentales o de las placas tectónicas a nivel milimétrico o mejorar la precisión de los equipos de “Ranging” alternando el seguimiento de un Cuásar y la nave, para determinar con mayor resolución la posición, velocidad y trayectoria de las naves que viajan por el espacio profundo, siendo conocida esta técnica como Delta DOR (Differenced One-way Ranging).

Con la Radio-Ciencia ocurre algo parecido. Para poder determinar las características de la atmósfera de un cuerpo celeste o de los anillos de polvo y otras partículas que le orbitan, campo gravitatorio etc. observando solamente las alteraciones (Doppler shift, polarización, amplitud etc.) de la señal recibida de una nave espacial cuando atraviesa dichos medios, hay que disponer de una fuente muy precisa como es el RA.

No me voy a extender más con ejemplos para justificar la necesidad de tener un buen Reloj Atómico en las Estaciones de Seguimiento pero parece razonable que cuando se pretende obtener resultados espectaculares hay que disponer de herramientas espectaculares.

Aparentemente un RA como el que tiene la Estación de Seguimiento MDSCC es una buena herramienta para la investigación pero, ¿es peligroso? porque hay que reconocer que el nombrecito de “Reloj Atómico” impone un poco, sobretodo después de lo de Chernobyl o Fukushima.

Pues resulta que no, no son peligrosos. El nombre de atómico en este caso viene dado porque su funcionamiento se basa en las oscilaciones del átomo. En el caso del RA de MDSCC conocido como MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) de Hidrógeno son los átomos de hidrógeno los responsables del funcionamiento de esta maravilla, y este gas se encuentra en la naturaleza, en pequeñas cantidades en el aire que respiramos, combinado con el oxigeno en el agua, en multitud de compuestos y constituye aproximadamente el 73,9 de la materia del universo.

¿Cómo funciona un MASER de Hidrógeno?

Los relojes no hacen otra cosa que usar como referencia oscilaciones cíclicas de planetas, satélites, movimiento del vaivén de un péndulo, movimiento alternativo de un volante, oscilaciones senoidales de una señal eléctrica etc. o de átomos.

Cuanto más estable sea esta oscilación, más preciso es el reloj. Si el péndulo de un reloj de pared tardara siempre exactamente lo mismo en ir de un lado para otro, tendríamos un reloj perfecto. Pero debido a dilataciones y contracciones del brazo que sujeta el péndulo originadas por los cambios de temperatura, vibraciones, corrientes, densidad del aire, etc. la duración de estas oscilaciones varía.

Si las oscilaciones del cristal piezoeléctrico de un reloj de cuarzo son muy estables, tendremos un buen reloj y si no lo son, tendremos una “patata” de reloj. Por esa razón en algunos relojes de cuarzo se introduce el cristal en un horno con temperatura controlada para mejorar la estabilidad.





Entonces queda bastante claro que lo que hay que encontrar es una fuente de oscilaciones muy, muy estable y esto nos lo va a dar en el caso del MASER de Hidrógeno los átomos de este gas.

Y ahora, voy a tratar describir de la forma más sencilla que sepa y pueda el funcionamiento de un MASER de Hidrógeno.

Este tipo de RA utiliza las propiedades intrínsecas del átomo de Hidrógeno como referencia de frecuencia precisa y un dispositivo de amplificación, el MASER.

En el interior de este RA hay una pequeña botella que suministra moléculas de hidrógeno a un recipiente de descarga de gas (discharge gas bulb), en este recipiente las moléculas se disocian en átomos de hidrógeno por descargas de radiofrecuencia, pasando a continuación por un colimador y selector magnético que filtra los átomos al estado atómico deseado (selector de estados cuantiaos) para posteriormente ser introducidos en un bulbo de cuarzo recubierto de teflón (storage bulb) alojado precisamente dentro de una cavidad de microondas resonante (microwave cavity) a 1.420 GHz.

Una vez que los átomos alcanzan esta cavidad resonante, se encuentran con otros compañeros en el mismo estado cuántico excitado y al relajarse a un estado de menor energía producen una radiación de 1.420 GHz. (1.420. 405.752 Hz. para ser más exacto) poniéndose todos al unísono a radiar y produciendo una oscilación coherente muy, muy estable, siendo esta oscilación el punto de partida para generar todas las frecuencias y tiempos que se necesiten con una estabilidad igual o superior a 1 por 10 elevado a la menos 15 para tiempos integrados de 1.000 segundos, que en términos coloquiales equivaldría a un reloj que en un millón de años no debería variar más de 1 segundo.

En MDSC existen como “back-up” aparte de otros dos MASERs de Hidrógeno, dos RA más basados en el Cesio-133 (de estabilidad algo inferior) y hasta hace unos pocos años se estaba evaluando otro RA integrado por una trampa lineal de iones de mercurio LITS (Linear Ion Trap Standard) con el que se esperaba superar la estabilidad del MASER de Hidrógeno en una o dos órdenes de magnitud, pero por razones que no vienen al caso se devolvió a JPL (Jet Propulsion Laboratory).

La sala donde de encuentran instalados los tres MASER de Hidrógeno (solamente uno esta en línea, el resto están de back-up), los dos de Cesio-133 (de back-up también) y el equipo adosado para el control, monitoreo, proceso de señales y su distribución, es un habitáculo sin ventanas, con aire acondicionado, bien aislado térmica y magnéticamente. Está prohibido aparcar vehículos en sus proximidades para no alterar el campo magnético. El acceso se hace a través de dos puertas (una detrás de la otra), al entrar, antes de abrir la segunda se debe cerrar la primera y al salir se invierte el proceso con objeto de no perturbar la temperatura interior. Tampoco es conveniente que haya más de dos personas dentro a la vez porque provocarían una ligera subida de la temperatura que afectaría a la estabilidad de los RA.

La temperatura de la sala se registra y controla hasta la décima de grado. Las alteraciones magnéticas de este habitáculo también son registradas así como otros parámetros.

A partir de los RA se generan y distribuyen todas las frecuencias y tiempos (a través de una gran red de kilómetros de cables coaxiales, fibra óptica, multiconductores et.) para alimentar los distintos equipos de la Estación de Seguimiento que requieran de esa precisión, como son: la Sala de Operaciones (Cadenas de Telemetría, Comando, Ranging, Transmisores, Receptores, equipos de Radio-Ciencia y Radio-Astronomía, etc.), Sala de Control, Antenas, Laboratorio de Calibraciones, etc.

Como curiosidad, en algunas nubes de material interestelar debido al efecto MASER, al ser excitadas por la radiación natural de estrellas cercanas se produce un haz intenso de una frecuencia también muy estable.

Durante mucho tiempo, se consideró que el reloj más preciso era el movimiento de la Tierra alrededor de su eje (24 horas que se dividían cada una en 60 minutos y éstos en 60 segundos) y de ésta alrededor del Sol (1 año), definiendo el segundo como 1/86.400 de un día solar medio, (86.400 es el resultado de multiplicar 24h. por 60 = 1.440 minutos, multiplicados por 60 = 86.400 segundos). El GMT (Greenwich Mean Time) u hora Zulu, es el tiempo solar medio en el Real Observatorio de Greenwich.

Pero como los científicos no paran de enredar, se dieron cuenta que la Tierra no era el mejor reloj ya que su giro no es uniforme por culpa de las mareas, interacciones gravitatorias, etc.

Hacia mediados del siglo pasado se desarrollaron los RA y dada su extraordinaria estabilidad, se llegó a redefinir el segundo como la duración de 9.192.631,770 periodos de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio-133, a nivel del mar con campo magnético cero, dejando en ridículo a la estabilidad de rotación de la Tierra y creando en 1.972 el UTC (Universal Time Coordinated) que se obtiene a partir del Tiempo Atómico Internacional pero corregido por esas pequeñas irregularidades en el movimiento de rotación de la Tierra, siendo el más usado por la comunidad científica.

La deferencia entre el GMT y el UTC debe ser inferior a 0.9 segundos. Si esta diferencia aumenta se introducen correcciones al UTC.

En las Estaciones de Seguimiento, aunque para muchos trabajos de tipo administrativo se utiliza el tiempo local, para la mayoría de actividades técnicas y científicas se utiliza el UTC.

Espero que algún lector no familiarizado con estos temas haya encontrado en este artículo alguna novedad o curiosidad que le haya compensado su lectura.

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