Física y sociedad40 Revista del Colegio Oficial de Físicos

Luisa M. Lara Lópezreportaje

La caracterización de un objeto del Sistema Solar en el que no se puede hacer trabajo de campo, oexperimentos de laboratorio, siempre queda incompleta cuando se mira en un solo «color» (o longitud deonda). El reto tecnológico de embarcar en una única misión la más amplia gama de detectores –desderayos gamma hasta radares– es sin lugar a dudas una de las revoluciones más emocionantes que los cien-tíficos de los siglos XX y XXI estamos viviendo.

DESARROLLO DE SENSORESE INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA

Las actividades del Instituto deAstrofísica de Andalucía (IAA) per-teneciente al Consejo Superior deInvestigaciones Científicas (CSIC)en el desarrollo de instrumenta-ción para embarcar en cohetes desondeo y vehículos espaciales–destinados tanto al estudio denuestro planeta como de otroscuerpos del Sistema Solar– seremontan a los años 70, cuando laobservación in situ y la explicaciónteórica del airglow (brillo en elaire) era una línea de investiga-ción seguida de forma activa yfructífera en su Departamento deSistema Solar.

En la atmósfera terrestre ocurrenprocesos que dan lugar a una emi-sión nocturna luminiscente endiversas bandas espectrales produ-cida por el oxígeno atómico, el oxí-geno molecular y el radical hidroxi-lo, OH. Conocer la distribución enaltura de estas especies es de cru-cial importancia para determinarqué procesos físico-químicos preva-lecen a cada nivel atmosférico, yaque estas emisiones están interre-lacionadas entre sí a través de lasreacciones fotoquímicas.

Para ello, se ideó un fotómetro concinco canales para medir la emisión

infrarroja (IR) del OH, el sistemainfrarrojo del O2 y la emisión del oxí-geno atómico. Los cuatro canales IReran idénticos en su diseño y con-sistían básicamente en un telesco-pio de dos lentes, un filtro interfe-rencial y un detector enfriado ter-moeléctricamente. El campo devisión del sistema era 11º. El fotóme-tro visible tenía un único canal conun campo de visión de 2,5º y usabael método de detección fotomulti-plicadora en el modo de conteo defotones. El instrumento se montóen un cohete, el BAJ Petrel, con el ejeóptico paralelo al eje del cohete,que se lanzó el 19 de diciembre de1981 desde la base de El Arenosillo(Huelva). Del análisis de los datos sepudo concluir que existe una únicacapa de emisión de O2 , corroboran-do las predicciones de los modelosfotoquímicos. Sin embargo, el des-cubrimiento de una capa de emi-sión de las bandas de OH a unos100 km impuso una revisión seriade los esquemas fotoquímicos quese habían barajado como responsa-bles de dicha emisión.

A los planetasEl siguiente paso natural fue hacerun estudio in situ de las atmósferasde otros planetas, satélites y cuer-pos menores. Las misiones espacia-les en las que los miembros delDepartamento de Sistema Solardesarrollaron alguna instrumenta-ción, bien total o parcialmente, o

¬ Recreación artística del aterrizaje de la sonda Huygens sobre la luna de saturno, Titán. La sondaportaba un paracaídas para aminorar la velocidad antes de posarse en la superficie. ESA

Las actividades del Instituto de Astrofísica de Andalucía en eldesarrollo de instrumentación espacial se remontan a los años 70

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bien se implicaron en la explota-ción científica de los datos fueron,en orden cronológico: Mars 94/96(Agencia Espacial Rusa, IKI), Cassini-Huygens (NASA-ESA), Rosetta (ESA)y BepiColombo (ESA).

La misión Mars 94 tenía prevista sufecha de lanzamiento en octubrede 1994 para llegar a Marte en sep-tiembre de 1995, y dos años mástarde (1996) le seguiría –en otrolanzamiento- una segunda nave.Limitaciones económicas en Rusiaprovocaron la cancelación de lamisión, aunque se siguió adelantecon la Mars 96, con el ambiciosoobjetivo de estudiar la superficie, laatmósfera, el interior y la magne-tosfera marcianos, así como locali-zar explosiones cósmicas en rayosgamma y oscilaciones de las estre-llas y del Sol. La carga útil del módu-lo orbital comprendía desde unacámara estereoscópica hasta unradar, pasando por un espectróme-tro Fourier para el sondeo atmosfé-rico y el estudio de la superficiemarciana en el IR. Este instrumento,llamado Planetary Fourier Spectro-meter (PFS), debía proporcionar per-files de temperatura, presión yabundancia de CO, H 2O y aerosolesen 3D, así como la mineralogía de lasuperficie y altimetría. El instru-mento consta de 2 espejos móvilesque al recibir la radiación desdeMarte produce diferencias de cami-

no óptico y, por tanto, interferogra-mas que después son analizadosmediante transformadas de Fou-rier. Una gran ventaja del instru-mento frente a otros que operan asimilares longitudes de onda esque los espectros de la radiaciónemitida en el IR medio y la reflejadaen el IR cercano se miden simultá-neamente.

El análisis conjunto de los espec-tros en ambos intervalos propor-ciona información valiosa sobre ladistribución vertical de gases quetienen fuertes bandas de absor-ción en ambos intervalos, como elH2O, y también propiedades de losaerosoles suspendidos en laatmósfera marciana. El instru-mento PFS es conceptualmentemuy complejo. El IAA-CSIC partici-pó técnicamente en dos subapar-tados: (1) diseño, fabricación yensayos de la antena Long Wave-length Radar (LWR); y (2) diseño yensayos de la Unidad de Procesode Datos del PFS. Por otro lado, par-ticipó en tres subapartados cientí-ficos: (3) determinación de lasabundancias de compuestos neu-tros minoritarios y de la estructuratérmica de la atmósfera marcianamediante los datos proporciona-dos por el PFS; (4) investigación dela estructura de la ionosfera y delplasma ionosférica utilizando elLWR; y (5) estimación de la permi-tividad dieléctrica, conductividadde las rocas de la subsuperficie, ysu variación con la profundidadpara la búsqueda de agua líquida ypermafrost, así como medida de laprofundidad, espesor y extensióndel mismo utilizando el LWR.

El experimento estaba original-mente a bordo de la misión Mars94 (cancelada), posteriormenteMars 96 (lanzamiento fallido que

terminó en el Océano Pacífico) yfinalmente en Mars Express (don-de está produciendo datos) yVenus Express (donde el bloqueode uno de los espejos para produ-cir interferogramas lo ha dejadocomo instrumento muerto).

En Saturno y TitánEn la exploración del Sistema Solar,Saturno y sus satélites –especial-mente Titán– fueron el siguienteobjetivo para el IAA-CSIC. La misiónCassini-Huygens (NASA-ESA) empe-zó a gestarse en 1980, y finalmentefue lanzada en octubre 1997 desdeCabo Cañaveral (Florida, EE.UU.). Lamisión consta de un módulo orbita-dor dedicado a la observación remo-ta de Saturno, sus satélites y sus ani-llos y una sonda de descenso (res-ponsabilidad de la ESA) en la atmós-fera de Titán. Esta sonda hizo suentrada triunfal en enero de 2005,tras separarse del módulo orbitadoral que había viajado adosada duran-te 7 años. La participación españolaen esta sonda estaba dentro del ins-trumento HASI (Huygens Atmos-pheric Structure Instrument), en unsubsistema (PWA, Permittivity, Waveand Altimetry) dedicado a la detec-ción de descargas eléctricas (rayos),electricidad atmosférica, conductivi-dad de los electrones y del suelo,conductividad electrón-ión, fenó-menos acústicos naturales (truenos,lluvia, granizo, etc.).

El subsistema consta de seis elec-trodos y un sensor acústico (micró-fono). La conductividad debida alos iones positivos y negativos semide con sondas de relajaciónmediante un principio de actua-ción muy sencillo: se aplicanpotenciales entre el módulo dedescenso y los sensores cadasegundo; durante el descenso se vamidiendo cómo ese potencial cam-

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Luisa M. Lara LópezDesarrollo de sensores e instrumentación científica

reportaje

Física y sociedad

¬ Convertidor de potencia de OSIRIS. IAA-CSIC

El siguiente paso natural fue hacer un estudio in situ de las atmósferas de otros planetas, satélites y cuerpos menores

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Física y sociedad42 Revista del Colegio Oficial de Físicos

bia y alcanza su equilibrio, lo quepermite confirmar o descartar lapresencia de electrones libres ydeterminar la conductividad de losiones. Los electrodos de relajaciónse llevan a voltaje cero después decada secuencia de medición. ElIAA-CSIC contribuyó de nuevo den-tro de la vertiente tecnológica ycientífica. En la primera, la respon-sabilidad se centra en el diseño,pruebas y fabricación de la tarjetadedicada al tratamiento analógicodel subsistema PWA. Se desarrollóun modelo funcional de las partesfundamentales de la tarjeta, sediseñaron los pre-amplificadores yse participó en la integración y cua-lificación especial para la misiónque se hizo en el Laboratoire dePhysique et Chemie de l’Environe-ment (Orleáns, Francia). Desde elpunto de vista científico, participa-mos en el desarrollo de modelosfotoquímicos de la atmósfera neu-tra e ionizada de Titán, modelosque se están usando en la actuali-dad para explicar los resultadosobservacionales tanto del móduloorbitador Cassini como de la sondade descenso Huygens.

La sonda Huygens descansa ahoraen la superficie de Titán. Su des-censo fue un éxito y todos los ins-trumentos proporcionaron losdatos esperados, salvo uno (Dop-pler Wind Experiment, DWE) porun error en la programación de

transmisión de los datos de la son-da al módulo orbitador. La sondasobrevivió al impacto con la super-ficie (con una textura de arenamojada de CH4, y no de agua) y lasbaterías de a bordo que mantení-an los instrumentos vivos duraronunos 30 minutos, 20 más de lo ini-cialmente esperado, o sea, quefuncionó por encima de las especi-ficaciones. El módulo orbitador yano estaba en el campo de visión dela sonda y no pudo recibir la infor-mación sobre la superficie delsatélite que la sonda Huygensseguía enviando.

A los cuerpos menoresEn la singladura espacial, elsiguiente paso fue participar en laconstrucción de una cámara ópticapara el estudio in situ de un come-ta (67P/Churyumov-Gerasimenko)y, «de pasada» (sobrevuelo o fly-by)de dos asteroides (Steins, en sep-tiembre de 2008 y Lutecia en juliode 2010). La misión espacial se lla-ma Rosetta. Su definición comenzóen el 1990 y se lanzó al espacio enmarzo 2004 desde la GuayanaFrancesa a bordo de un coheteAriane V. El objetivo de todos losinstrumentos que lleva a bordo, asícomo de un módulo de aterrizaje,Philae, es estudiar exhaustivamen-te la superficie y subsuperficie delnúcleo del cometa, el paso de inac-tividad a actividad del mismo (yaque la sonda se encuentra con elcometa cuando éste está a unas 3UA (450 millones de km) en mayode 2014 y lo orbita a medida que seacerca a su perihelio en 2015), y lacoma de gas y polvo que rodea aese núcleo.

En España, además del IAA-CSICcomo institución responsable, par-ticiparon también el INTA (InstitutoNacional de Técnica Aeroespacial) y

la UPM (Universidad Politécnica deMadrid) en las siguientes áreas: (1)el diseño térmico global y análisisestructural; (2) la construcción deuna de las 2 cámaras (WAC, WideAngle Camera) que forman el siste-ma óptico (OSIRIS) de Rosetta,excluyendo la óptica y el modelo deplaca de pruebas, (3) la fabricaciónde la rueda de filtros para ambascámaras (WAC, y NAC, NarrowAngle Camera), (4) construcción dela unidad de potencia del instru-mento; (5) el controlador de meca-nismos del instrumento; y (6) laelectrónica del canal IR incluido enla NAC.

Además de esta participaciónespañola en las cámaras OSIRIS, elIAA-CSIC tiene un papel crucial enotro instrumento, el GIADA (GrainImpact Analyzer and Dust Accu-mulator), cuyo objetivo es estudiarla dinámica del polvo cometariomediante un sistema de detecciónde granos de polvo, un sensor deimpacto y microbalanzas. La parti-cipación española, a cargo del IAA-CSIC, se centra en: (1) la realización,extendida a todos los modelos, detoda la electrónica del sistema quecompone la unidad de control deproceso (CPU), la unidad de adqui-sición y proceso de datos (DPU),interfase con el vehículo espacial ymódulo convertidor de potencia(PCM); (2) el desarrollo del softwa-re de vuelo asociado; y (3) la parti-cipación en el desarrollo del equi-po de soporte en tierra (EGSE, Elec-tronic Ground Support Equipment).

En la actualidad, el IAA-CSIC estáembarcado en el desarrollo del pri-mer altímetro láser únicamenteeuropeo que volará en 2013 en lamisión BepiColombo (ESA-JAXA) aMercurio, cuyos objetivos científicosson el estudio del interior del plane-

Luisa M. Lara LópezDesarrollo de sensores e instrumentación científica

reportaje

En la actualidad, el IAA está embarcado en el desarrollo del primer altímetro láser únicamente europeo

¬ Integración de la Rueda de Filtros en lacámara NAC. IAA-CSIC

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Luisa M. Lara LópezTecnologías de observación y control del medio marino

reportaje

Física y sociedad

ta, la superficie (produciendomapas de altura con resolución dela decena de metros), la composi-ción mineralógica y elemental, laexosfera y magnetosfera queenvuelve al planeta y su interaccióncon el viento solar, ya que Mercuriotiene un campo magnético anóma-lo. Este desarrollo, liderado por laUniversidad de Berna y el DLR(Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt e.V.), supone un granreto tecnológico en el que el IAA tie-ne como responsabilidad el diseñodel módulo convertidor de potencia(PCU) que distribuye diferentes vol-tajes a la electrónica de los demássubsistemas. Este módulo conviertela potencia proporcionada por lanave en un voltaje altamente regu-lado para alimentar el láser.

El futuroA medida que la tecnología hapermitido disponer de sensoresde UV, IR (cercano, medio o leja-no), de ondas submilimétricas,centimétricas, etc., el panoramaque se ha abierto a nuestros ojoses infinito, pero además con lacerteza de que la confusión res-pecto a las características realesde aquello que se quiere observarse reducirá a un mínimo. De algu-na forma, el desarrollo de instru-mentación espacial ha seguido elcurso natural del propio serhumano, cuya naturaleza haceque no solo exploremos con elojo sino que también sean nece-sarios el resto de los sentidos:oído, tacto, olfato y gusto. Lasmisiones espaciales empiezan aasimilarse a pequeños compen-dios de sentidos en los que losrobots transitan por la superficiedel planeta, desgranan sus rocas,las «miran» por los microscopiosde a bordo, las «tocan» con susbrazos articulados, etc.

Se han resumido muy brevementecasi 30 años de investigación en elespacio en el IAA-CSIC, tantohaciendo ciencia básica como apli-cada (es decir, desarrollo tecnológi-co). El progreso es obvio: se ha pasa-do de «simples» fotómetros yradiómetros alcanzando escasa-mente cien kilómetros sobre labase de lanzamiento a haber depo-sitado una sonda a casi 10 UA(1.500 millones de km). El futuro esprometedor, con misiones espacia-

les que aspiran a objetivos comotraer a la Tierra material primitivodel Sistema Solar o incluso polvointerestelar. Estamos, sin lugar adudas, en un momento muy dulcedel avance en el Universo más cer-cano que nos rodea.

El futuro es prometedor, con misiones espaciales para traermaterial primitivo del Sistema Solar o incluso polvo interestelar

Luisa M. Lara es doctora en CienciasFísicas. Desde 2005 es Jefe delDepartamento de Sistema Solar enel Instituto de Astrofísica de Andalu-cía del CSIC.

¬ Esquemas de la instrumentación alojada a bordo de la Huygens. ESA

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