Al viajar a tierras lejanas, uno empaca con cuidado. Lo que llevas debe ser integral, pero no tanto como una carga. Y una vez que llegue, debe estar preparado para hacer algo extraordinario para que el largo viaje valga la pena.
El artículo anterior de la revista Space "¿Cómo aterrizas en un cometa?" describió la técnica de aterrizaje de Philae en el cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Pero, ¿qué hará el módulo de aterrizaje una vez que llegue y se instale en su nuevo entorno? Como dijo Henry David Thoreau, "No vale la pena dar la vuelta al mundo para contar los gatos en Zanzíbar". Así es con el módulo de aterrizaje Rosetta Philae. Con el escenario listo, un lugar de aterrizaje elegido y fecha de aterrizaje del 11 de noviembre, el módulo de aterrizaje de Filae está equipado con un conjunto cuidadosamente pensado de instrumentos científicos. Comprensivo y compacto, Philae es como una navaja suiza de herramientas para llevar a cabo el primer examen in situ (in situ) de un cometa.
Ahora, considere los instrumentos científicos sobre Philae que fueron seleccionados hace unos 15 años. Al igual que cualquier buen viajero, se tenían que establecer presupuestos que funcionaran como restricciones en la selección de instrumentos que se pudieran empacar y transportar en el viaje. Había un peso máximo, volumen máximo y potencia. La masa final de Philae es de 100 kg (220 lbs). Su volumen es de 1 × 1 × 0.8 metros (3.3 × 3.3 × 2.6 pies) aproximadamente del tamaño de un horno de cuatro hornillas. Sin embargo, Philae debe funcionar con una pequeña cantidad de energía almacenada a su llegada: 1000 vatios-hora (equivalente a una bombilla de 100 vatios funcionando durante 10 horas). Una vez que se agota esa energía, producirá un máximo de 8 vatios de electricidad de los paneles solares para ser almacenados en una batería de 130 vatios-hora.
Sin ninguna garantía de que aterrizarían fortuitamente y producirían más energía, los diseñadores de Philae proporcionaron una batería de alta capacidad que es cargada, solo una vez, por los paneles solares de la nave espacial principal (64 metros cuadrados) antes del descenso al cometa. Con una secuencia de comando de ciencia inicial a bordo de Philae y la energía de la batería almacenada de Rosetta, Philae no perderá tiempo para comenzar el análisis, a diferencia de un análisis forense, para hacer una "disección" de un cometa. A partir de entonces, utilizan la batería más pequeña que tomará al menos 16 horas para recargarse, pero permitirá a Philae estudiar 67P / Churyumov-Gerasimenko durante potencialmente meses.
Hay 10 paquetes de instrumentos científicos en el módulo de aterrizaje de Philae. Los instrumentos utilizan luz absorbida, dispersa y emitida, conductividad eléctrica, magnetismo, calor e incluso acústica para evaluar las propiedades del cometa. Esas propiedades incluyen la estructura de la superficie (la morfología y la composición química del material de la superficie), la estructura interior de P67 y el campo magnético y los plasmas (gases ionizados) sobre la superficie. Además, Philae tiene un brazo para un instrumento y el cuerpo principal de Philae se puede girar 360 grados alrededor de su eje Z. La publicación que admite Philae e incluye un amortiguador de impacto.
CIVA y ROLIS Sistemas de imagen. CIVA representa tres cámaras que comparten algo de hardware con ROLIS. CIVA-P (panorámica) es siete cámaras idénticas, distribuidas alrededor del cuerpo de Philae pero con dos que funcionan en tándem para imágenes estéreo. Cada uno tiene un campo de visión de 60 grados y se utiliza como detector CCD 1024 × 1024. Como la mayoría de la gente puede recordar, las cámaras digitales han avanzado rápidamente en los últimos 15 años. Las imágenes de Philae fueron diseñadas a fines de la década de 1990, cerca del estado de la técnica, pero hoy en día son superadas, al menos en número de píxeles, por la mayoría de los teléfonos inteligentes. Sin embargo, además del hardware, el procesamiento de imágenes en el software también ha avanzado y las imágenes pueden mejorarse para duplicar su resolución.
CIVA-P tendrá la tarea inmediata, como parte de la secuencia inicial de comando autónomo, de inspeccionar el sitio de aterrizaje completo. Es crítico para el despliegue de otros instrumentos. También utilizará la rotación del eje Z del cuerpo de Philae para realizar el levantamiento. CIVA-M / V es una cámara de imágenes microscópica de 3 colores (resolución de 7 micras) y CIVA-M / I es un espectrómetro infrarrojo cercano (rango de longitud de onda de 1 a 4 micras) que inspeccionará cada una de las muestras que se entregan a los hornos COSAC y PTOLEMY antes de calentar las muestras.
ROLIS es una cámara única, también con un detector CCD de 1024 × 1024, con la función principal de inspeccionar el sitio de aterrizaje durante la fase de descenso. La cámara está fija y apunta hacia abajo con una lente de enfoque ajustable f / 5 (relación f) con un campo de visión de 57 grados. Durante el descenso se establece en infinito y tomará imágenes cada 5 segundos. Su electrónica comprimirá los datos para minimizar el total de datos que deben almacenarse y transmitirse a Rosetta. El enfoque se ajustará justo antes del aterrizaje, pero a partir de entonces, la cámara funciona en modo macro para examinar espectroscópicamente el cometa inmediatamente debajo de Philae. La rotación del cuerpo de Philae creará un "círculo de trabajo" para ROLIS.
El diseño de múltiples funciones de ROLIS muestra claramente cómo los científicos e ingenieros trabajaron juntos para reducir el peso, el volumen y el consumo de energía en general, y hacer posible a Philae y, junto con Rosetta, ajustarse dentro de los límites de carga útil del vehículo de lanzamiento, las limitaciones de energía del solar células y baterías, limitaciones del sistema de comando y datos y transmisores de radio.
APXS. Esto es un Espectrómetro de rayos X Alpha Proton. Este es un instrumento casi imprescindible de la navaja suiza del científico espacial. Los espectrómetros APXS se han convertido en un elemento común en todas las misiones de Mars Rover y Philae’s es una versión mejorada de Mars Pathfinder. El legado del diseño APXS son los primeros experimentos de Ernest Rutherford y otros que condujeron al descubrimiento de la estructura del átomo y la naturaleza cuántica de la luz y la materia.
Este instrumento tiene una pequeña fuente de emisión de partículas alfa (Curium 244) esencial para su funcionamiento. Los principios de la dispersión inversa de Rutherford de partículas alfa se utilizan para detectar la presencia de elementos más ligeros como el hidrógeno o el berilio (aquellos cercanos a una partícula alfa en masa, un núcleo de helio). La masa de tales partículas elementales más ligeras absorberá una cantidad medible de energía de la partícula Alfa durante una colisión elástica; como sucede en Rutherford, dispersión hacia atrás cerca de 180 grados. Sin embargo, algunas partículas alfa son absorbidas en lugar de reflejadas por los núcleos del material. La absorción de una partícula alfa provoca la emisión de un protón con una energía cinética medible que también es exclusiva de la partícula elemental de la que proviene (en el material cometario); Esto se utiliza para detectar elementos más pesados como el magnesio o el azufre. Por último, los electrones de la capa interna en el material de interés pueden ser expulsados por partículas alfa. Cuando los electrones de las capas externas reemplazan a estos electrones perdidos, emiten una radiografía de energía específica (cuántica) que es única para esa partícula elemental; por lo tanto, elementos más pesados como el hierro o el níquel son detectables. APXS es la encarnación de la física de partículas de principios del siglo XX.
CONSERTAR COmet Experimento de sondeo de núcleo por transmisión de ondas de radio, como su nombre lo indica, transmitirá ondas de radio al núcleo del cometa. El orbitador Rosetta transmite ondas de radio de 90 MHz y, simultáneamente, Philae se para en la superficie para recibir con el cometa que reside entre ellos. En consecuencia, el tiempo de viaje a través del cometa y la energía restante de las ondas de radio es una firma del material a través del cual se propagó. Se requerirán muchas transmisiones y recepciones de radio por CONSERT a través de una multitud de ángulos para determinar la estructura interior del cometa. Es similar a cómo uno puede sentir la forma de un objeto sombrío parado frente a usted al mover la cabeza hacia la izquierda y hacia la derecha para ver cómo cambia la silueta; En total, su cerebro percibe la forma del objeto. Con los datos CONSERT, es necesario un complejo proceso de desconvolución usando computadoras. La precisión con la que se conoce el interior del cometa mejora con más mediciones.
MUPUS Sensor multipropósito para ciencia de superficie y subsuelo es un conjunto de detectores para medir el balance energético, las propiedades térmicas y mecánicas de la superficie y el subsuelo del cometa hasta una profundidad de 30 cm (1 pie). Hay tres partes principales para MUPUS. Existe el PEN, que es el tubo penetrador. PEN está unido a un brazo de martilleo que se extiende hasta 1,2 metros del cuerpo. Se despliega con suficiente fuerza hacia abajo para penetrar y enterrar PEN debajo de la superficie; Son posibles múltiples golpes de martillo. En la punta, o ancla, de PEN (el tubo de penetración) hay un acelerómetro y un estándar PT100 (termómetro de resistencia de platino). Juntos, los sensores de anclajedeterminar el perfil de dureza en el sitio de aterrizaje y la difusividad térmica en la profundidad final [ref]. A medida que penetra en las superficies, más o menos desaceleración indica material más duro o más blando. El PEN incluye una serie de 16 detectores térmicos a lo largo de su longitud para medir las temperaturas del subsuelo y la conductividad térmica. El PEN también tiene una fuente de calor para transmitir calor al material cometario y medir su dinámica térmica. Con la fuente de calor apagada, los detectores en PEN monitorearán la temperatura y el balance de energía del cometa a medida que se acerca al Sol y se calienta. La segunda parte es el MUPUS TM, un radiómetro sobre el PEN que medirá la dinámica térmica de la superficie. TM consta de cuatro sensores de termopila con filtros ópticos para cubrir un rango de longitud de onda de 6-25 µm.
SD2 El dispositivo de perforación y distribución de muestras penetrará en la superficie y el subsuelo hasta una profundidad de 20 cm. Cada muestra recuperada tendrá un volumen de unos pocos milímetros cúbicos y se distribuirá a 26 hornos montados en un carrusel. Los hornos calientan la muestra, lo que crea un gas que se entrega a los cromatógrafos de gases y espectrómetros de masas que son COSAC y PTOLEMIA. Las observaciones y el análisis de los datos APXS y ROLIS se utilizarán para determinar las ubicaciones de muestreo, todas las cuales estarán en un "círculo de trabajo" desde la rotación del cuerpo de Philae sobre su eje Z.
COSAC Muestreo y composición de cometas experimentar. El primer cromatógrafo de gases (GC) que vi estaba en un laboratorio universitario y el gerente del laboratorio lo estaba utilizando para pruebas forenses que respaldaban al departamento de policía local. La intención de Philae es nada menos que realizar pruebas forenses en un cometa a cientos de millones de millas de la Tierra. Philae es efectivamente el cristal espía de Sherlock Holmes y Sherlock es todos los investigadores de la Tierra. El cromatógrafo de gases COSAC incluye un espectrómetro de masas y medirá las cantidades de elementos y moléculas, particularmente moléculas orgánicas complejas, que forman el material del cometa. Mientras que el primer GC de laboratorio que vi estaba más cerca del tamaño de Philae, los dos GC en Philae son del tamaño de cajas de zapatos.
PTOLOMEO. Un analizador de gases evolucionado [ref], un tipo diferente de cromatógrafo de gases. El propósito de Ptolomeo es medir las cantidades de isótopos específicos para derivar las relaciones isotópicas, por ejemplo, 2 partes de isótopo C12 por una parte de C13. Por definición, los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones en sus núcleos. Un ejemplo son los 3 isótopos de carbono, C12, C13 y C14; los números son el número de neutrones. Algunos isótopos son estables, mientras que otros pueden ser inestables: radiactivos y se descomponen en formas estables del mismo elemento o en otros elementos. Lo que interesa a los investigadores de Ptolomeo es la proporción de isótopos estables (naturales y no los afectados por la descomposición radioactiva), para los elementos H, C, N, O y S, pero particularmente el carbono. Las proporciones serán indicadores reveladores de dónde y cómo se crean los cometas. Hasta ahora, las mediciones espectroscópicas de los cometas para determinar las relaciones isotópicas han sido desde una distancia y la precisión ha sido inadecuada para sacar conclusiones firmes sobre el origen de los cometas y cómo los cometas están vinculados a la creación de planetas y la evolución de la Nebulosa Solar, la lugar de nacimiento de nuestro sistema planetario que rodea al Sol, nuestra estrella. Un analizador de gases evolucionado calentará una muestra (~ 1000 C) para transformar los materiales en un estado gaseoso que un espectrómetro puede medir cantidades con mucha precisión. Un instrumento similar, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer) fue un instrumento en el módulo de aterrizaje Mars Phoenix.
SÉSAMO Experimento de sondeo eléctrico de superficie y monitoreo acústicoEste instrumento involucra tres detectores únicos. El primero es el SESAME / CASSE, el detector acústico. Cada pie de aterrizaje de Philae tiene emisores y receptores acústicos. Cada una de las patas se turnará para transmitir ondas acústicas (100 Hertz a KiloHertz) en el cometa, que medirán los sensores de las otras patas. La forma en que esa onda se atenúa, es decir, se debilita y transforma, por el material cometario que atraviesa, se puede usar junto con otras propiedades cometarias obtenidas de los instrumentos de Philae, para determinar las variaciones diarias y estacionales en la estructura del cometa a una profundidad de aproximadamente 2 metros Además, en un modo pasivo (de escucha), CASSE controlará las ondas sonoras de crujidos, gemidos dentro del cometa causados potencialmente por el estrés del calentamiento solar y los gases de ventilación.
El siguiente es el detector SESAME / PP: la sonda de permisividad. La permisividad es la medida de la resistencia que tiene un material a los campos eléctricos. SESAME / PP entregará un campo eléctrico oscilante (onda sinusoidal) en el cometa. Los pies de Philae llevan los receptores: electrodos y generadores de seno de CA para emitir el campo eléctrico. La resistencia del material cometario a una profundidad de aproximadamente 2 metros se mide de esta manera proporcionando otra propiedad esencial del cometa: la permitividad.
El tercer detector se llama SESAME / DIM. Este es el contador de polvo del cometa. Se utilizaron varias referencias para compilar estas descripciones de instrumentos. Para este instrumento, hay, lo que llamaría, una hermosa descripción que simplemente citaré aquí con referencia. “El cubo del Dust Impact Monitor (DIM) en la parte superior del balcón Lander es un sensor de polvo con tres sensores piezoeléctricos ortogonales (50 × 16) mm activos. A partir de la medición del voltaje pico transitorio y la duración del medio contacto, se pueden calcular las velocidades y los radios de las partículas de polvo que impactan. Se pueden medir partículas con radios de aproximadamente 0.5 µm a 3 mm y velocidades de 0.025–0.25 m / s. Si el ruido de fondo es muy alto, o la velocidad y / o las amplitudes de la señal de ráfaga son demasiado altas, el sistema cambia automáticamente al llamado modo continuo promedio; es decir, solo se obtendrá la señal promedio, dando una medida del flujo de polvo ". [árbitro]
ROMAP Rosetta Lander Magnetómetro y Plasma El detector también incluye un tercer detector, un sensor de presión. Varias naves espaciales han volado por cometas y nunca se ha detectado un campo magnético intrínseco, uno creado por el núcleo del cometa (el cuerpo principal). Si existe un campo magnético intrínseco, es probable que sea muy débil y sería necesario aterrizar en la superficie. Encontrar uno sería extraordinario y convertiría las teorías sobre los cometas en sus cabezas. Bajo y he aquí, Philae tiene un magnetómetro fluxgate.
El campo magnético (B) de la Tierra que nos rodea se mide en los cientos de miles de nano-Teslas (unidad SI, billonésima parte de un Tesla). Más allá del campo de la Tierra, los planetas, los asteroides y los cometas están inmersos en el campo magnético del Sol que, cerca de la Tierra, se mide en un solo dígito, de 5 a 10 nano-Tesla. El detector de Philae tiene un rango de +/- 2000 nanoTesla; un rango por si acaso pero uno fácilmente ofrecido por fluxgates. Tiene una sensibilidad de 1/100 de un nanoTesla. Entonces, ESA y Rosetta vinieron preparados. El magnetómetro puede detectar un campo muy pequeño si está allí. Ahora consideremos el detector de plasma.
Gran parte de la dinámica del Universo involucra la interacción de los gases ionizados por plasma (generalmente faltan uno o más electrones y por lo tanto llevan una carga eléctrica positiva) con los campos magnéticos. Los cometas también involucran tales interacciones y Philae lleva un detector de plasma para medir la energía, la densidad y la dirección de los electrones y de los iones cargados positivamente. Los cometas activos están liberando esencialmente un gas neutro en el espacio más pequeñas partículas sólidas (polvo). La radiación ultravioleta del Sol ioniza parcialmente el gas cometario de la cola del cometa, es decir, crea un plasma. A cierta distancia del núcleo del cometa, dependiendo de cuán caliente y denso sea el plasma, hay un punto muerto entre el campo magnético del Sol y el plasma de la cola. El campo B del Sol cubre la cola del cometa como una sábana blanca sobre un truco o trata de Halloween pero sin agujeros para los ojos.
Entonces, en la superficie de P67, el detector ROMAP / SPM de Philae, los analizadores electrostáticos y un sensor de la Copa Faraday medirán electrones e iones libres en el espacio no tan vacío. Un plasma "frío" rodea el cometa; SPM detectará energía cinética de iones en el rango de 40 a 8000 electrón-voltios (eV) y electrones de 0.35 eV a 4200 eV. Por último, pero no menos importante, ROMAP incluye un sensor de presión que puede medir una presión muy baja, una millonésima o milmillonésima o menos que la presión de aire que disfrutamos en la Tierra. Se utiliza un medidor de vacío Penning que ioniza el gas principalmente neutro cerca de la superficie y mide la corriente que se genera.
Philae llevará 10 conjuntos de instrumentos a la superficie de 67P / Churyumov-Gerasimenko, pero en total los diez representan 15 tipos diferentes de detectores. Algunos son interdependientes, es decir, para derivar ciertas propiedades, uno necesita múltiples conjuntos de datos. El aterrizaje de Philae en la superficie del cometa proporcionará los medios para medir muchas propiedades de un cometa por primera vez y otras con una precisión significativamente mayor. En total, los científicos se acercarán a comprender los orígenes de los cometas y su contribución a la evolución del Sistema Solar.
