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Giroscopios de naves espaciales y ruedas de reacción. Nunca puedes tener suficiente

Giroscopios de naves espaciales y ruedas de reacción. Nunca puedes tener suficiente

Es sorprendente pensar que hay telescopios en el espacio, en este momento, dirigiendo su mirada a objetos distantes durante horas, días e incluso semanas. Brindando un punto de vista tan estable y preciso que podemos aprender detalles sobre galaxias, exoplanetas y más.

Y luego, cuando se acabe el tiempo, la nave espacial puede cambiar su mirada en otra dirección. Todo sin el uso de combustible.

Todo gracias a la tecnología de ruedas de reacción y giroscopios. Hablemos sobre cómo funcionan, cómo son diferentes y cómo su fracaso ha terminado las misiones en el pasado.

Aquí está la respuesta rápida. Las ruedas de reacción permiten que las naves espaciales cambien su orientación en el espacio, mientras que los giroscopios mantienen un telescopio increíblemente estable, por lo que pueden apuntar a un objetivo con alta precisión.

Si has escuchado suficientes episodios de Astronomy Cast, sabes que siempre me quejo de las ruedas de reacción. Siempre parece ser el punto de falla en las misiones, terminando prematuramente antes de que la ciencia esté lista.

Probablemente he usado los términos ruedas de reacción y giroscopios de manera intercambiable en el pasado, pero tienen propósitos ligeramente diferentes.

Una de las ruedas de reacción de alto rendimiento llevada por Kepler, Dawn y varias otras misiones de la NASA. Crédito: Ball Aerospace

Primero, hablemos de las ruedas de reacción. Estos son un tipo de volante utilizado para cambiar la orientación de una nave espacial. Piense en un telescopio espacial que necesita cambiar de un objetivo a otro, o una nave espacial que necesita regresar a la Tierra para comunicar datos.

También se les conoce como ruedas de impulso.

No hay resistencia del aire en el espacio. Cuando una rueda gira en una dirección, todo el telescopio gira en la dirección opuesta, gracias a la Tercera Ley de Newton: ya sabes, para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Con las ruedas girando en las tres direcciones, puede girar el telescopio en la dirección que desee.

Las ruedas se fijan en su lugar y giran entre 1,000 y 4,000 revoluciones por minuto, acumulando un momento angular en la nave espacial. Para cambiar la orientación de la nave espacial, cambian la velocidad a la que giran las ruedas.

Diseño del telescopio espacial Kepler, incluidas sus 4 ruedas de reacción. Crédito: NASA Ames / Ball Aerospace

Esto crea un par que hace que la nave espacial cambie su orientación, o preceso, en una dirección elegida.

Esta tecnología funciona solo con electricidad, lo que significa que no necesita usar propelente para cambiar la orientación del telescopio. Mientras tenga suficientes rotores girando, puede seguir cambiando su dirección, utilizando solo la energía del sol.

Las ruedas de reacción se usan en casi todas las naves espaciales, desde pequeños Cubesats hasta el telescopio espacial Hubble.

Con tres ruedas, puede cambiar su orientación a cualquier punto en 3 dimensiones. Pero LightSail 2 de la Sociedad Planetaria tiene solo una rueda de impulso para cambiar la orientación de su vela solar, de borde hacia el Sol y luego de costado para elevar su órbita solo con la luz solar.

Foto del despliegue de la vela de LightSail 2. Crédito: La Sociedad PlanetariaFoto del despliegue de vela de LightSail 2. Crédito: La Sociedad Planetaria

Por supuesto, estamos más familiarizados con las ruedas de reacción debido a los tiempos en que han fallado, dejando fuera de servicio a las naves espaciales. Misiones como FUSE y Hayabusa de JAXA.

Las ruedas de pérdida de reacción de Kepler y la ingeniosa solución

Lo más famoso es el telescopio espacial Kepler de la NASA, lanzado el 9 de marzo de 2009 para encontrar planetas que orbitan otras estrellas. Kepler estaba equipado con 4 ruedas de reacción. Tres fueron necesarios para mantener el telescopio apuntando cuidadosamente a una región del cielo, y luego un repuesto.

Ilustración artística de la nave espacial Kepler de la NASA. La misión Kepler está a punto de terminar, y el último de su combustible se está reservando para asegurarse de que sus datos lleguen a casa. Imagen: NASA / KeplerUna ilustración artística de la nave espacial Kepler de la NASA. La misión Kepler está a punto de terminar, y el último de su combustible se está reservando para asegurarse de que sus datos lleguen a casa. Imagen: NASA / Kepler

Estaba esperando que cualquier estrella en su campo de visión cambiara de brillo por un factor de 1 en 10,000, lo que indica que un planeta podría estar pasando por delante. Para ahorrar ancho de banda, Kepler en realidad solo transmitió información sobre el cambio en el brillo de las propias estrellas.

En julio de 2012, una de las cuatro ruedas de reacción de Kepler falló. Todavía tenía tres, que era lo mínimo que necesitaba para ser lo suficientemente estable como para continuar sus observaciones. Y luego, en mayo de 2013, la NASA anunció que Kepler tuvo una falla con otra de sus ruedas. Así que se redujo a dos.

Esto detuvo las principales operaciones científicas de Kepler. Con solo dos ruedas en funcionamiento, ya no podía mantener su posición con la precisión suficiente para seguir el brillo de la estrella.

Aunque la misión podría haber sido un fracaso, los ingenieros descubrieron una estrategia ingeniosa, utilizando la ligera presión del Sol para actuar como una fuerza en un eje. Al equilibrar perfectamente la nave espacial a la luz del sol, pudieron continuar usando las otras dos ruedas de reacción para continuar haciendo observaciones.

Infografía que muestra cómo el telescopio espacial Kepler continuó buscando planetas a pesar de las dos ruedas de reacción rotas. Crédito: NASA Ames / W Stenzel

Pero Kepler se vio obligado a mirar el pequeño punto en el cielo que se alineó con su nueva orientación, y cambió su misión científica a buscar planetas en órbita alrededor de estrellas enanas rojas. Agotó su propelente a bordo volviendo a la Tierra para transmitir datos. Kepler finalmente se quedó sin combustible el 30 de octubre de 2018, y la NASA concluyó su misión.

Al mismo tiempo que Kepler estaba luchando con sus ruedas de reacción, la misión Dawn de la NASA estaba teniendo problemas con las mismas ruedas de reacción.

Ruedas de pérdida de reacción de Dawn

Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 con el objetivo de explorar los dos asteroides más grandes del Sistema Solar: Vesta y Ceres. La nave espacial entró en órbita alrededor de Vesta en julio de 2011 y pasó el año siguiente estudiando y mapeando el mundo.

Una ilustración artística de la nave espacial Dawn de la NASA acercándose a Ceres. Imagen: NASA / JPL-Caltech.Una ilustración artística de la nave espacial Dawn de la NASA con su sistema de propulsión de iones acercándose a Ceres. Imagen: NASA / JPL-Caltech.

Se suponía que debía abandonar Vesta y dirigirse a Ceres en agosto de 2012, pero la partida se retrasó más de un mes debido a problemas con sus ruedas de reacción. A partir de 2010, los ingenieros detectaban cada vez más fricción en una de sus ruedas, por lo que la nave espacial cambió a las tres ruedas en funcionamiento.

Y luego, en 2012, la segunda de sus ruedas comenzó a ganar fricción también, y la nave espacial se quedó con solo dos ruedas restantes. No es suficiente para mantenerlo totalmente orientado en el espacio usando solo electricidad. Esto significaba que tenía que comenzar a usar su propulsor de hidrazina para mantener su orientación durante el resto de su misión.

Tres vistas del volcán de hielo Ahuna Mons. La parte superior es una reconstrucción del volcán a partir de datos topográficos, la imagen de la izquierda fue capturada por la cámara de encuadre de Dawn, y la imagen en falso color de la derecha muestra la presencia de carbonato de sodio en rojo y verde. Imagen: Por NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAFTres vistas del volcán de hielo Ahuna Mons. La parte superior es una reconstrucción del volcán a partir de datos topográficos, la imagen de la izquierda fue capturada por la cámara de encuadre de Dawn, y la imagen de color falso a la derecha muestra la presencia de carbonato de sodio en rojo y verde. Imagen: Por NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / ASI / INAF

Dawn llegó a Ceres, y mediante el uso cuidadoso del propulsor pudo trazar un mapa de este mundo y sus extrañas características superficiales. Finalmente, a fines de 2018, la nave espacial se quedó sin propulsor y ya no pudo mantener su orientación, mapear Ceres o enviar sus señales de regreso a la Tierra.

La nave espacial continuará orbitando Ceres, cayendo sin poder hacer nada.

Hay una larga lista de misiones cuyas ruedas de reacción han fallado. Y ahora los científicos piensan que saben por qué. Hubo un documento publicado en 2017 que determinó que el entorno del espacio en sí mismo está causando el problema. A medida que las tormentas geomagnéticas pasan por la nave espacial, generan cargas en las ruedas de reacción que causan un aumento de la fricción y hacen que se desgasten más rápidamente.

Voy a poner un enlace a un gran video de Scott Manley que entra en más detalles.

Telescopio espacial Hubble y sus giroscopios

El telescopio espacial Hubble está equipado con ruedas de reacción para cambiar su orientación general, girando todo el telescopio a la velocidad de una manecilla de un minuto en un reloj: 90 grados en 15 minutos.

Pero para mantenerse apuntando a un solo objetivo, utiliza otra tecnología: giroscopios.

Telescopio espacial Hubble de la NASA. Créditos: NASA

Hay 6 giroscopios en el Hubble que giran a 19.200 revoluciones por minuto. Son grandes, masivos y giran tan rápido que su inercia resiste cualquier cambio en la orientación del telescopio. Funciona mejor con tres, que coinciden con las tres dimensiones del espacio, pero puede funcionar con dos, o incluso uno, con resultados menos precisos.

En agosto de 2005, los giroscopios del Hubble se estaban desgastando y la NASA cambió al modo de dos giroscopios. En 2009, durante la Misión de Servicio 4, los astronautas de la NASA visitaron el telescopio espacial y reemplazaron los seis giroscopios.

STS61 fue la primera misión de servicio al telescopio espacial Hubble. Crédito: NASASTS61 fue la primera misión de servicio al telescopio espacial Hubble. Crédito: NASA

Es probable que sea la última vez que los astronautas visiten el Hubble, y su futuro depende de cuánto duren estos giroscopios.

¿Qué hay de James Webb?

Sé que la simple mención del telescopio espacial James Webb pone nerviosos a todos. Más de $ 8 mil millones de dólares invertidos hasta el momento y que se lanzarán dentro de dos años. Va a volar al punto Tierra-Sol L2 Lagrange, ubicado a aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de la Tierra.

Ilustración del telescopio espacial James Webb de la NASA. Créditos: NASA

A diferencia del Hubble, no hay forma de volar el James Webb para repararlo si algo sale mal. Y viendo con qué frecuencia los giroscopios han fallado, esto realmente parece un punto débil peligroso. ¿Qué pasa si los giroscopios de James Webb fallan? ¿Cómo podemos reemplazarlos?

James Webb tiene ruedas de reacción a bordo. Están construidos por Rockwell Collins Deutschland, y son similares a las ruedas de reacción a bordo de las misiones Chandra, EOS Aqua y Aura de la NASA, por lo que una tecnología diferente de las ruedas de reacción fallidas en Dawn y Kepler. La misión Aura proporcionó un susto en 2016 cuando una de sus ruedas de reacción giró, pero se recuperó después de diez días.

El giroscopio de resonancia hemisférica (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino o giroscopio de hongos, hace que se use una delgada carcasa hemisférica de estado sólido, anclada por un tallo grueso. Crédito: Sagem CC BY 4.0

James Webb no está utilizando giroscopios mecánicos como Hubble para mantenerlo en el objetivo. En cambio, está utilizando una tecnología diferente llamada giroscopios resonadores hemisféricos, o HRG.

Estos usan un hemisferio de cuarzo que se ha formado con mucha precisión para que resuene de una manera muy predecible. El hemisferio está rodeado de electrodos que impulsan la resonancia, pero también detectan cualquier cambio leve en su orientación.

Sé que suena como un galimatías, como si estuviera impulsado por sueños de unicornio, pero puedes experimentarlo por ti mismo.

Sostenga una copa de vino y luego muévala con el dedo para que suene. El timbre es la copa de vino que se dobla hacia adelante y hacia atrás en su frecuencia de resonancia. A medida que gira el vidrio, la flexión hacia adelante y hacia atrás también gira, pero se retrasa detrás de la orientación de una manera muy predecible.

Cuando estas oscilaciones ocurren miles de veces por segundo en un cristal de cuarzo, es posible detectar pequeños movimientos y luego darles cuenta.

Así es como James Webb permanecerá encerrado en sus objetivos.

Impresión artística del orbitador Cassini entrando en la atmósfera de Saturno. Crédito: NASA / JPL

Esta tecnología ha volado en la misión Cassini en Saturno y funcionó perfectamente. De hecho, hasta junio de 2011, la NASA había informado que estos instrumentos habían experimentado 18 millones de horas de operación continua en el espacio en más de 125 naves espaciales diferentes sin una sola falla. En realidad es muy confiable.

Espero que eso aclare las cosas. Las ruedas de reacción o impulso se utilizan para reorientar las naves espaciales en el espacio, de modo que puedan orientarse en diferentes direcciones sin usar propulsor.

Los giroscopios se utilizan para mantener un telescopio espacial apuntando con precisión a un objetivo, para proporcionar los mejores datos científicos. Pueden ser ruedas giratorias mecánicas, o utilizan la resonancia de cristales vibrantes para detectar cambios en la inercia.

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