La navegación de una nave espacial por los cielos se ha comparado con navegar un barco en mar abierto o conducir un vehículo en un largo viaje a través del país. Las analogías son necesarias, ya que la navegación de naves espaciales se realiza mediante una muestra relativamente pequeña de la raza humana, y el trabajo generalmente implica hacer cosas que nunca antes se habían hecho. Aquellos de nosotros que tenemos problemas para dar sentido a una hoja de ruta aquí en la Tierra nos asombramos de lo que estos navegadores celestiales pueden lograr.
Literalmente, esto es ciencia espacial.
En términos más simples, la navegación de naves espaciales implica determinar dónde está la nave espacial y mantenerla en curso hacia el destino deseado. Pero no es tan fácil como llegar desde el Punto A (Tierra) al Punto B (un planeta u otro cuerpo en nuestro sistema solar). Estas no son posiciones fijas en el espacio. Los navegadores deben enfrentar los desafíos de calcular las velocidades y orientaciones exactas de una Tierra giratoria, un destino objetivo giratorio, así como una nave espacial en movimiento, mientras todos viajan simultáneamente en sus propias órbitas alrededor del Sol.
Chris Potts, quien ayudó a liderar los equipos de navegación de los Mars Exploration Rovers (MER), comparó los requisitos de destino para aterrizar el rover Spirit dentro de un cráter específico en Marte con poder lanzar una pelota de baloncesto a través de un aro a 9000 millas de distancia. "No solo tienes que hacer el disparo perfectamente sin que la pelota toque el aro, sino que el tiempo debe ser perfecto, por lo que debes hacer el disparo exactamente como suena el timbre", dijo.
Ken Williams fue el Jefe del Equipo de Navegación para el regreso de la misión Stardust de las prístinas muestras de un cometa a la Tierra. Para un reingreso y aterrizaje exitoso en una ubicación precisa en Utah, el equipo de navegación tuvo que apuntar la entrada de la cápsula de retorno a un punto específico en la atmósfera de la Tierra dentro de las ocho centésimas de grado, una hazaña que se ha comparado con golpear el ojo de una aguja de coser con un trozo de hilo al otro lado de una habitación.
La navegación es esencial para cada misión robótica, y aunque el éxito de la misión depende de qué tan bien se desempeñe el equipo de navegación, los navegadores generalmente no se encuentran en el centro de atención, sentados en el escenario para una conferencia de prensa. Por lo general, eso está reservado para los científicos y diseñadores de misiones. Los navegadores, aparentemente, trabajan detrás de escena, manejando las trincheras en relativo anonimato.
Pero tuve la oportunidad de hablar con algunos navegantes de naves espaciales, aprender más sobre su trabajo y descubrir las cualidades innatas de aquellos que guían nuestra nave espacial a lugares más allá.
Neil Mottinger ha sido parte de numerosas misiones desde que comenzó a trabajar en el Laboratorio de Propulsión a Chorro en 1967. Asistió con algunas de las primeras misiones lunares y planetarias, y desarrolló algunos de los programas que los navegadores todavía usan hoy en día.
Escuche mi entrevista con Mottinger en la edición del 21 de agosto del podcast 365 Days of Astronomy.
Hay varias subdisciplinas diferentes para la navegación de naves espaciales, y una de las especialidades de Mottinger es la determinación de la órbita. "La determinación de la órbita es saber dónde está la nave espacial y hacia dónde va", dijo Mottinger, quien actualmente trabaja con la misión Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) y la próxima misión LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) a la luna. "Comienza con la predicción de la trayectoria donde estará la nave espacial inmediatamente después del lanzamiento para que la Red de Espacio Profundo (DSN) sepa dónde apuntar su antena y en qué frecuencia esperar la señal". El DSN consiste en una red de antenas de comunicaciones de espacio profundo extremadamente sensibles en tres ubicaciones: Goldstone, California; Madrid, España; y Canberra, Australia. La ubicación estratégica aproximadamente a 120 grados de separación en la superficie de la Tierra permite la observación constante de la nave espacial a medida que la Tierra gira.
Como no hay GPS en el espacio exterior, los navegadores procesan los datos de seguimiento radiométrico recibidos del DSN para determinar la posición y la velocidad de la nave espacial. También usan datos ópticos, donde la nave espacial toma una fotografía del fondo de la estrella para ayudar a refinar la trayectoria de la nave espacial.
Durante muchos años, Mottinger trabajó con un grupo que proporcionó soporte de navegación para el lanzamiento de más de 100 naves espaciales. "Nunca me uní a ninguna misión, ya que justo después de un lanzamiento nos mudamos a la siguiente misión", dijo Mottinger. Pero ahora se queda con las misiones por más tiempo y ha estado con la misión MRO durante la mayor parte de tres años. Mottinger está encantado con los datos científicos que ha devuelto esta misión. “Tenemos que proporcionar predicciones precisas de dónde va a estar la nave espacial. Entonces los ingenieros saben cómo orientar las naves espaciales para que los científicos puedan hacer sus observaciones ", dijo. “Si hacemos nuestro trabajo, los científicos pueden ver un deslizamiento de tierra en Marte o mirar áreas específicas del planeta. Si nuestras predicciones son incorrectas, las cámaras apuntan en la dirección incorrecta. La navegación es parte integral de todo el proceso para garantizar el éxito de la misión ".
Mottinger dijo que normalmente uno no piensa en los navegadores como científicos, solo como un medio para que los científicos obtengan resultados. Sin embargo, a veces los subproductos científicos provienen de la navegación. El caso más famoso fue la misión Voyager cuando la navegante Linda Morabito descubrió un volcán en la luna Io de Júpiter al mirar imágenes de navegación óptica. En las misiones del Orbitador Lunar, los navegantes se dieron cuenta de que había grandes concentraciones de masa (ahora llamadas mascons) debajo de la superficie de la luna que aceleraban la nave espacial en órbita.
Además, la ciencia utilizada en la navegación ha mejorado dramáticamente a lo largo de los años. "Cuando miras los tipos de cosas que no entendíamos cuando comencé por primera vez versus lo que sabemos ahora, es abrumador", dijo Mottinger. Por ejemplo, los navegadores ahora pueden crear modelos muy precisos de presión solar, cómo las partículas de luz solar empujan contra una nave espacial y alteran su trayectoria, lo que incluye no solo cómo se refleja la luz solar desde diferentes superficies de la nave espacial, sino también la re-radiación de energía absorbida por los paneles solares e irradiados por la parte trasera.
Además, las efemérides, las tablas que utilizan los navegadores para obtener las posiciones de los objetos astronómicos, también han mejorado en precisión a lo largo de los años. "El diablo está en los detalles", dijo Mottinger. "La navegación se está convirtiendo en un juego increíblemente preciso".
Al igual que muchos de los que trabajan en JPL, Mottinger disfruta hablando con escuelas o grupos comunitarios para compartir la emoción y los descubrimientos recientes de la exploración espacial. "Es importante estar ahí afuera diciendo nuestro mensaje para que la gente se entusiasme con lo que estamos haciendo", dijo. "Y el público tiene derecho a estar emocionado, porque están pagando la factura".
Hace varios años, Mottinger regresó a su ciudad natal de Oswego, Illinois, para hablar con los estudiantes sobre su trabajo como navegante. Sentado en el salón de clases había un joven Chris Potts, quien decidió que la navegación en naves espaciales era la carrera que quería seguir. Potts, que ha estado en el JPL desde 1984, fue Jefe Adjunto del Equipo de Navegación de MER y ahora trabaja con la Misión Dawn que está en camino para orbitar dos asteroides, Ceres y Vesta.
La especialidad de Potts es el control de la ruta de vuelo. Esto implica disparar el sistema de propulsión para alterar la velocidad o trayectoria de la nave espacial, conocida como maniobras de corrección de trayectoria (TCM). "Eso incluye comprender las capacidades de control de la nave espacial y determinar cualquier limitación", dijo Potts. "Usted determina cuándo disparará el sistema de propulsión, con qué frecuencia y el objetivo de cada maniobra. También debe evaluar los requisitos de entrega, para asegurarse de que puede aterrizar dentro de un cráter en Marte, por ejemplo, y minimizar el riesgo en el camino ".
El aspecto del diseño es la parte favorita del trabajo de Potts. "Intenta desarrollar una estrategia que reúna todas las piezas", dijo. “Tienes que hablar con los científicos de la misión y entender cuáles son sus requisitos, y luego saber qué puede hacer la nave espacial. Es como las personas que tienen un auto viejo y lo han estado usando tanto tiempo que saben cómo aprovechar al máximo ese vehículo. Aprovechar lo que la nave espacial hace bien y trabajar alrededor de sus limitaciones alimenta el diseño de una estrategia que reúne todo para que funcione ”.
Gran parte del trabajo de Potts implica simulaciones y pruebas. "Vemos cómo se comporta la nave espacial y probamos diferentes estrategias para mejorarla en nuestra situación", dijo. "La sección de navegación tiene una" caja de herramientas "completa de software que podemos usar".
La nave espacial Dawn usa un motor de iones, y esta es la primera vez que Potts trabaja con un sistema de propulsión de bajo empuje. "Es una misión bastante diferente", dijo. “Las preocupaciones son un poco diferentes a otras misiones porque el empuje es muy eficiente. Una de las cosas que le preocupan es no tener tiempo suficiente para hacer las correcciones necesarias. Aunque el empuje es bajo, con el tiempo genera un gran cambio de velocidad y siempre se diseñan trayectorias y se cambian los comandos para asegurarse de que el motor de iones esté disparando en la dirección correcta. Si hay algún tipo de falla o hipo de la nave espacial en el camino, tienes que luchar, y algunos eventos futuros podrían tener que ser movidos ". Dawn llegará a Vesta en 2011.
Potts disfruta ser parte de la emoción de todas las diferentes misiones en JPL. "Realmente disfruto trabajar con algunas personas extremadamente inteligentes y talentosas aquí y definitivamente puedes sentir la pasión por el trabajo que hacen", dijo. "A veces eso puede ser intimidante, pero te das cuenta de que todos tienen su propio talento para ofrecer, y todos te ayudan a dar lo mejor de ti aquí. Llegamos a hacer una variedad de trabajos interesantes, y es muy desafiante. No hay dos días iguales."
Potts dijo que una de las recompensas de su trabajo es ver salir a la luz su trabajo en descubrimientos científicos. "Con el retorno de la muestra Stardust, ver la cápsula aterrizar justo donde se suponía que debía estar en Utah fue muy gratificante", dijo. "Y al ver a los científicos tener en sus manos esos datos y comenzar a realizar sus investigaciones, uno siente cuán emocionados y entusiasmados están finalmente de trabajar en su ambición de toda la vida".
Recientemente, los científicos de Stardust anunciaron encontrar un aminoácido, uno de los componentes básicos de la vida, en una muestra que la nave espacial regresó a la Tierra.
Potts y Mottinger trabajaron en la misión Stardust bajo el liderazgo de Ken Williams. Williams trabajó en JPL durante varios años, pero actualmente es empleado de KinetX, una empresa de ingeniería privada especializada en tecnología aeroespacial y desarrollo de software. En la actualidad, KinetX brinda soporte de navegación para la misión New Horizons a Plutón, así como la misión MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) a Mercury, y Williams es el jefe del equipo de navegación de MESSENGER. A diferencia de Mottinger y Potts, Williams no siempre ha estado involucrado en misiones espaciales y su carrera en la navegación se desarrolló a partir de una formación en física. Trabajó en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins antes de trabajar en JPL en 1994.
La parte favorita de Williams de ser un navegador es encontrar y resolver problemas técnicos interesantes. "Eso es lo que me interesa", dijo. “MENSAJERO ciertamente tiene varios de esos. Volamos por la Tierra una vez, Venus dos veces y Mercurio dos veces. Tendremos que volar por Mercurio una vez más antes de finalmente entrar en órbita en el cuarto encuentro. Encontrar una trayectoria que haga todas esas cosas con éxito es un problema técnico muy interesante en el que estoy muy contento de estar involucrado. También tenemos que considerar todo tipo de restricciones, como mantener la nave espacial alejada del sol para que los componentes no se calienten demasiado ".
Como Jefe de Equipo de Navegación, Williams coordina todas las subdisciplinas de determinación de órbita, control de trayectoria de vuelo y navegación óptica junto con las necesidades de los científicos de la misión en términos de observaciones cuando se encuentran con un planeta o cometa.
Williams también disfruta de la emoción de estar en medio de la acción en importantes misiones espaciales. "Supongo que es como estar en una batalla, o en un juego de baloncesto o fútbol", dijo. “Sientes la emoción de ver cómo se desarrollan los eventos y de responder a cualquier anomalía o sorpresa que surja. Y cuando todo está hecho, tienes una tremenda sensación de satisfacción ".
Sus experiencias con el regreso de Stardust a la Tierra se destacan como lo más destacado. "Conseguir coordinar todo ese esfuerzo y lograr que la nave espacial fuera exitosa fue probablemente la experiencia más gratificante en todo el tiempo que estuve en JPL", dijo. “En casi todas las misiones en las que he trabajado, ha habido un momento en el que tienes una sensación de euforia por tener la nave espacial en el lugar correcto en el momento correcto. Es un buen sentimiento tener ".
Aunque dejar JPL fue una decisión difícil, Williams disfruta de sus experiencias en una empresa privada. "Hubiera sido fácil permanecer en JPL y ser lo que ellos llaman" barba gris "en términos de tener experiencia, pero después de Stardust, me gustó el desafío de liderar un equipo de navegación y crecer en áreas técnicas", dijo. "Pensé que habría una mejor oportunidad para hacerlo con un pequeño equipo en una pequeña empresa, y pensé que KinetX era un buen lugar para lograr eso".
Todo lo contrario de una "barba gris" es la navegante Emily Gist. Ella ha estado en JPL durante 4 años y es parte del equipo de navegación para la misión Cassini en Saturno. Al igual que Potts, trabaja en el control de la ruta de vuelo, ayudando a planificar la trayectoria y estimar la posición futura de la nave espacial, y a controlar las correcciones necesarias para lograr los objetivos de la misión.
Ella se siente muy satisfecha al saber que está ayudando a facilitar la exploración. "El sistema de Saturno es más hermoso de lo que la mayoría hubiera imaginado y más diverso de lo que se conocía anteriormente", dijo. “La información que Cassini ha proporcionado nos ha iluminado a todos. Más específicamente, amo cuánto aprendo todos los días en JPL y trabajando en la Misión Cassini ".
Como parte de la "próxima generación" de navegadores, Gist disfruta del entorno desafiante que ofrece JPL. "Tuvimos una prueba de preparación de operaciones en Cassini, donde se evaluó al equipo para ver cómo reaccionaríamos ante una falla o falla en la nave espacial en un entorno operativo", dijo. “Los ingenieros superiores no estaban en juego, por lo que la generación más nueva tuvo que resolverlo por nuestra cuenta e hicimos un excelente trabajo. Me hizo sentir orgulloso de todas las personas con las que trabajo. Son personas verdaderamente talentosas ".
Gist dijo que el género nunca ha sido un problema en su trabajo como navegante. "JPL tiene un personal maravillosamente diverso y, aunque no hay muchas mujeres navegantes, no nos tratan de manera diferente", dijo. “Soy bastante parcial, pero creo que lo que nos falta en cantidad lo compensamos en calidad. Trabajo con algunas mujeres increíbles ".
“Además, me siento afortunado de vivir en una época y sociedad donde, independientemente del género, uno puede encontrar lo que quiere hacer y hacerlo lo mejor que pueda. Me encanta ser ingeniera y lo que intento transmitir a las mujeres jóvenes es que pueden amar lo que quieran, incluso si es matemática y ciencia, sin temor a que sea un trabajo menos femenino ".
La pregunta más difícil de responder para todos los navegadores era si tenían una parte menos favorita del trabajo. Citaron los problemas habituales con cualquier trabajo: no hay suficiente tiempo y demasiado papeleo. Y el estrés viene con el trabajo. "Los plazos, especialmente trabajando en JPL, son muy reales", dijo Potts. "Si no estás preparado para un evento crítico en la misión, generalmente no tienes una segunda oportunidad. Hay mucho que hacer para que su trabajo se realice correctamente ".
Pero todos los navegadores enfatizaron la importancia del aspecto del equipo en su trabajo. "Se busca la calidad inherente del equipo", dijo Mottinger. “Tuve un gerente de proyecto que dijo que un equipo se da cuenta de los errores del otro y que el total es mayor que la suma de las partes. Todo se hace en un espíritu de camaradería, y no existe una pregunta estúpida ".
Pero buscar protagonismo individual simplemente no parece estar en el maquillaje de un navegante.
"Me siento más cómodo trabajando detrás de escena que haciendo una entrevista", dijo Potts. "Cuando sé que he hecho mi trabajo y contribuido al éxito de la misión, es suficiente para mí".
"Estoy bien con mi trabajo detrás de escena", agregó Gist. "Sin embargo, cuando considero el trabajo que hicieron los ingenieros antes que yo y a mi alrededor, a veces siento que deberían recibir más reconocimiento".
Williams considera, en general, que el campo de navegación en sí mismo debería recibir más reconocimiento. "Creo que los científicos y las personas que hacen sistemas puramente de hardware subestiman la dificultad de lo que los navegadores tienen que hacer", dijo. "Sería bueno si obtuviéramos más reconocimiento por parte de nuestros compañeros solo desde el punto de vista de poder influir en cómo se planean y diseñan las misiones para comenzar, de modo que los problemas de navegación puedan abordarse antes del lanzamiento y no solo nos dejen lidiar después de nosotros lanzamiento. Me siento más convencido al respecto que cualquier reconocimiento de mis propios logros ".
Williams dijo que lo que hacen los navegadores es más una forma de arte. "No se puede reducir a un conjunto de algoritmos que se pueden almacenar a bordo de un sistema de vuelo como la potencia o la propulsión, por ejemplo. Es un refinamiento constante ".
¿Y los navegadores se molestan por las horas a veces largas y extrañas que requiere su trabajo? "No", dijo Mottinger, "no lo cambiaría por nada. No hay nada más como eso ".
