New Horizons, una nueva mirada a Plutón

Muchas interrogantes tienen ahora respuesta a partir del 14 de julio de 2015, fecha del pasaje en cercanía (fly-by)  de esta estructura de casi quinientos kilogramos a una distancia muy cercana de este enigmático destino.

Siete instrumentos científicos, equipos de comunicación y soporte, revelarán como nunca antes este inexplorado objeto del Sistema Solar.

Imagen 1 - Interpretación artística de la sonda New Horizons según NASA.

A diferencia de las misiones que retornan a la Tierra, New Horizons devuelve los datos que recolecta a través de ondas radiales, con ayuda de un equipo de comunicaciones y una antena de 210 centímetros orientada a casa. Mediante esta vía, también recibe órdenes y notifica parámetros tales como estado de los instrumentos, suministro eléctrico y temperatura.

Las distancias entre la New Horizons y la Tierra son tan grandes que cada mensaje radial y el conocimiento de alguna respuesta puede llegar a demorar (a la fecha de redactar estas líneas) cerca de 8 horas 50 minutos. Es decir, 4 horas 25 minutos en llegar un mensaje radial desde la Tierra a la sonda y el mismo tiempo en retornar. Los científicos expresan este parámetro como Light time round trip o viaje redondo en tiempo luz.

Imagen 2 - Vista en perspectiva de la trayectoria de la sonda New Horizons desde su salida de la Tierra hasta su destino principal. En el momento de su proximidad al planeta enano, se estima una distancia de 12.500 kilómetros.

Enviando órdenes a la sonda

Todos los comandos o modificaciones enviadas a la sonda New Horizons son cuidadosamente revisados, pues sería desastroso incurrir en un error. La lista de órdenes pasa por un riguroso desarrollo y control. El equipo científico trabaja estrechamente con los equipos de operación de instrumental y de control del navío para diseñar las actividades que se llevarán adelante.

Luego de que las secuencias de comandos son probadas en Tierra, a efectos de prevenir posibles errores, las órdenes son enviadas por el centro de operaciones de la sonda New Horizons (radicado en Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) en Maryland hacia las instalaciones de comunicación NASA's Deep Space Network (DSN), sistema operado y administrado por el Jet Propulsion Laboratory de NASA (Pasadena, California). A posteriori, el sistema DSN remite la información a la sonda.

Orientación del navío

La sonda New Horizons debe ser orientada en rumbos específicos para tomar datos con diferentes instrumentos. En su travesía de varios años, ha dirigido su instrumental a otros planetas y a un asteroide (el 132524 APL).

Tiene varios telescopios con cámaras que deben apuntar de modo preciso a destinos específicos relacionados con la misión (por ejemplo, un lugar en la superficie de Plutón). Para ello, la sonda tiene que girar sobre sí misma para orientar tales instrumentos.

La dirección a la que señala el frente de la estructura se conoce como "actitud".  La sonda New Horizons cuenta con un sistema avanzado de guiado y control. Para determinar su orientación, cuenta con una unidad de medida inercial equipada con un sofisticado giroscopio. Este sistema provee información en todo momento, datos de su orientación, y mantiene al artefacto estable.

Por otra parte, cámaras CCD´s obtienen imágenes de estrellas notorias de referencia. La información de posición de esas estrellas es provista a la computadora a bordo de "Control y Guía" que realiza comparaciones de lo observado con la posición esperada en los comandos. Si la diferencia de orientación es mayor a la permitida en los márgenes de tolerancia, pequeños propulsores de hidrazina corrigen a la nave a la orientación deseada.

Instrumental científico

La carga científica de New Horizons consiste en siete instrumentos. Este cargamento está diseñado para investigar geología global, composición y temperatura de la superficie, presión atmosférica, temperatura, entre otros aspectos, tanto de Plutón como de sus satélites..

Si se aprueba una extensión de la misión, los instrumentos son de utilidad para investigar objetos adicionales del Cinturón de Kuiper que puedan ser alcanzados.

La carga de instrumentos es increíblemente eficiente en lo que refiere a consumo energético, ya que en conjunto consumen menos de 28 vatios, y representan un grado de miniaturización sin precedente en la exploración planetaria.

Los instrumentos, además, fueron concebidos específicamente para tratar con las gélidas condiciones y bajos niveles de luz que tienen lugar en la zona de la órbita de Plutón y más allá del Cinturón de Kuiper.

Imagen 3 - Instrumental científico

ALICE
Masa: 4,5 kg
Potencia energética: 4,4 vatios
Desarrollo: Instituto de Investigación del Suroeste
Objetivo: Estudiar la composición y estructura de la atmósfera.

RALPH
Masa: 10,3 kilogramos
Potencia energética: 6,3 vatios
Objetivo: Estudiar la geología de superficie y morfología; obtener composición de la superficie y mapas de temperatura superficial.

REX (Experimento Radio Ciencia)
Masa: 100 gramos
Potencia energética: 2,1 vatios
Propósito: Medir la temperatura y la presión atmosférica; medir densidad de la ionósfera; buscar atmósferas alrededor de Caronte y otros KBO (Kuiper Belt Objects, objetos del Cinturón de Kuiper).

LORRI (Long Range Reconnaissance Imager | Reconocimiento de imágenes de largo alcance)
Masa: 8,8 kg
Potencia energética: 5,8 vatios
Objetivo: Estudio geológico; proporcionar enfoque de alta calidad e imágenes de encuentro de la más alta resolución posible.

SWAP (Solar Wind around Pluto | Viento solar alrededor de Plutón)
Masa: 3,3 kg
Potencia energética: 2,3 vatios
Objetivo: Estudiar las interacciones del viento solar y de escape atmosférico.

PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation | Espectrómetro )
Masa: 1,5 kg
Potencia energética: 2,5 vatios
Objetivo: Estudiar la densidad, composición y naturaleza de partículas energéticas y plasmas resultantes de la fuga de la atmósfera de Plutón.

Venetia Burney Student Dust Counter (Contador de polvo diseñado por estudiantes)
Masa: 1,9 kg
Potencia energética: 5 vatios
Objetivo: Medida de concentración de partículas de polvo en el sistema solar exterior.

Este último instrumento merece una mención especial ya que ha sido diseñado y construido por estudiantes de la Universidad de Boulder (Colorado). Detecta granos de polvo microscópicos producidos en las colisiones entre asteroides, cometas, e incluso objetos del Cinturón de Kuiper interceptados en la travesía de New Horizons por esa zona.

Es el primer instrumento científico en una misión interplanetaria de la NASA diseñado y construido por estudiantes. En junio de 2006, el instrumento fue nombrado Venetia Burney, en homenaje a la niña de once años que sugirió el nombre de "Pluto" para el noveno planeta (ahora clasificado como planeta enano), descubierto en 1930.

Imagen 4 - Venetia Burney, de once años, quien sugirió en 1930 el nombre de Pluto al nuevo objeto.

El reto de cómo descargar la información

Un desafío para la misión New Horizons es la relativa baja velocidad de tasa de transferencia a la que se puede transmitir la información hacia y desde la Tierra. Especialmente en un momento en que estamos acostumbrados a navegar en nuestras residencias a altas velocidades.

Ya el problema no son las más de cuatro horas-luz de distancia (con los consecuentes retrasos), sino que el problema es cómo se reduce la tasa de transmisión.

Durante el pasaje de proximidad con Júpiter, en febrero de 2007, la tasa de transmisión era de 38 kilobits por segundo (38 kbps). Desde aquel entonces, y a medida que se aleja más y más, la velocidad de transferencia ha ido disminuyendo. Luego del pasaje en proximidad con Plutón, estiman que la velocidad de comunicación rondará los 2 kilobits por segundo (2 kbps), una tasa de transferencia que debe ser suficiente para que la sonda llegue a comunicar los datos recolectados a las grandes antenas DSN-NASA (Deep Space Network).

Al equipo de New Horizons, le tomará hasta bien entrado el año 2016, llegar a descargar la totalidad de la información de imágenes y registros de sensores almacenados en las grabadoras de la sonda.
Debido a que la red Deep Space Network tiene que trabajar atendiendo a otras misiones además de la New Horizons, el equipo científico planifica generar un set inicial de datos comprimidos con algo de pérdida (data loss) a efectos de que pueda ser descargado más rápidamente. El dataset de exploración inicial se espera que sea descargado totalmente antes de fines de 2015, y el dataset completo sería descargado luego.

El tono de este procedimiento es el de “más vale pájaro en mano…”. A efectos de calmar la ansiedad por resultados primarios se ha planificado la descarga de un set abreviado de imágenes y datos. Esta estrategia implica algo de pérdida de datos en un proceso de compresión, pero esto no debe inquietarnos. La compresión con pérdida se aplica, por ejemplo, en formatos de imágenes como el jpeg, y todos contentos y felices con los resultados de nuestras cámaras de bolsillo en ese formato.

Estaremos atentos a las novedades en los días y semanas posteriores al arribo de este nuevo emprendimiento de la aventura humana.