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Jueves, 28 julio 2016
Astronáutica

Gran Enciclopedia de la Astronáutica (456): SIRTF

SIRTF

 

Satélite; País: EEUU; Nombre nativo: Space Infrared Telescope Facility

 

Los planes de la NASA de disponer de cuatro grandes telescopios que cubriesen conjuntamente buena parte del espectro de la luz útil para la astronomía, ideados en los años 80, dio el paso definitivo con el envío al espacio del cuarto de ellos, el SIRTF. Después del Hubble, del Compton y del Chandra, especializados, respectivamente, en las zonas visible/ultravioleta, gamma y X del espectro, el SIRTF, bautizado como Spitzer, debía brindarnos una novedosa imagen del Universo a través del infrarrojo.

 

El SIRTF (Space Infrared Telescope Facility) tenía sus raíces en múltiples ideas que se remontan a los años 70, cuando se buscaba aprovechar las capacidades de la lanzadera espacial para llevar hasta el espacio un instrumento capaz de observar la radiación infrarroja procedente de los objetos más fríos o lejanos del Universo. Hasta entonces, la astronomía infrarroja, que se había iniciado como tal en los años 60, se había tenido que conformar con pequeños telescopios montados en globos, siempre en busca de evitar los efectos de enmascaramiento de la atmósfera. A principios de los 70, se instalaron algunos de estos aparatos a bordo de aviones o en cohetes sonda, lo que permitió el descubrimiento de algunas fuentes importantes de radiación infrarroja. Estos objetos, por tanto, existían, y eran diferentes a todo lo que los astrónomos estaban acostumbrados a ver. Gracias a los avances de la técnica, se identificaron pronto algunas pequeñas ventanas, como el infrarrojo cercano y medio, que sí pueden ser explotadas desde la superficie terrestre. Durante un par de décadas, los científicos estuvieron ocupados realizando investigaciones de este tipo, pero el objetivo de colocar un telescopio en órbita, lejos de la influencia atmosférica, nunca cayó en el olvido.

 

En una época en la que se esperaba que la lanzadera espacial pudiera viajar al espacio con una cadencia semanal, pareció suficiente idear un telescopio infrarrojo que permanecería unido a la bodega del vehículo. Las observaciones podrían realizarse durante misiones sucesivas. El llamado Shuttle InfraRed Observatory (SIRO) fue la propuesta más elaborada, pero una que aún debería salvar diversos obstáculos, como la caracterización exacta del contaminado ambiente que rodeaba al transbordador espacial cuando este se encontraba en órbita.

 

En 1979, el National Research Council dio una nueva forma a este proyecto, rebautizándolo como SIRTF y definiéndolo como un instrumento fijo que emplearía una plataforma Spacelab como base, sujeta en el interior de la bodega de un transbordador. Calificado como programa de alta prioridad, el SIRTF vio su primera solicitud de propuestas a la industria en mayo de 1983. Se estimaron diversas misiones, cada una de ellas disponiendo de un telescopio de 1 metro de diámetro, enfriado criogénicamente, cuyos instrumentos variarían de un vuelo a otro. En el futuro, el sistema podría quedar instalado en una plataforma autónoma o en una estación espacial, permaneciendo más tiempo en el espacio. Con un primer viaje previsto para 1990, la NASA empezó a trabajar para hacerlo realidad.

 

Casi al mismo tiempo, se lanzaba el satélite IRAS, un proyecto conjunto entre Estados Unidos, Gran Bretaña y Holanda que pretendía realizar el primer mapa de fuentes cósmicas infrarrojas. Durante 10 meses, antes del agotamiento del sistema de refrigeración, el InfraRed Astronomical Satellite revolucionó la astronomía infrarroja e hizo aún más deseable la puesta en práctica del programa SIRTF.

 

En 1984, la NASA eligió a los expertos que se encargarían de construir los instrumentos científicos con los que sería dotado el nuevo telescopio. Pero cuando en julio de 1985 se lanzó la misión Spacelab-2, equipada con el InfraRed Telescope (IRT), un telescopio infrarrojo de 15,2 cm de diámetro, resultó obvio que la contaminación provocada por el transbordador enmascararía en exceso los resultados del SIRTF. A partir de entonces, la NASA decidió que este debía ser transformado, desde un primer momento, en un vehículo autónomo e independiente.

 

[Img #37614]

 

El SIRTF estaría precedido por el ya citado IRAS o por el europeo ISO. Los años 90 se convirtieron en la década infrarroja por excelencia, gracias sobre todo a los avances en las tecnologías de detección. El valor de este tipo de astronomía creció como la espuma. Según lo previsto, el SIRTF podría volar durante el período de actividad del Hubble y del Chandra, lo que permitiría observar fuentes comunes y comparar resultados.

 

Pero entonces llegaron los problemas. La NASA vio recortado su presupuesto y tuvo que cancelar o rediseñar muchos de los proyectos que tenía en marcha. Durante los próximos cinco años, el SIRTF derivó sin aparentes avances, sufriendo dos ejercicios de reducción de costes. Tendría que pasar de 2.200 millones de dólares a tener un coste de tan sólo 500 millones. En 1990, el SIRTF habría pesado 5.700 kg y necesitado un cohete Titan para el lanzamiento. Su vida útil, definida por los 3.800 litros de refrigerante albergados a bordo, habría llegado a los 5 años. En 1993, se volvió a rediseñar el telescopio para que pudiera ser lanzado en un cohete Atlas, más económico que el Titan. Ahora pesaría 2.500 kg, y con 920 litros de refrigerante, garantizaría tres años de operaciones. Su coste se reduciría hasta los 1.000 millones de dólares. Por fin, en 1995, el SIRTF sufrió su rediseño más radical: pesaría sólo 750 kg, volaría en un pequeño cohete Delta, y con sus 250 litros de refrigerante estaría operativo durante dos años y medio. Su coste disminuiría hasta los 458 millones de dólares.

 

Esta situación obligó a examinar si el telescopio podía ser aún científicamente útil, sobre todo ante los grandes avances de la astronomía infrarroja terrestre. En abril de 1994, un informe confirmaba el interés de su misión, de manera que la NASA dio luz verde a su desarrollo preliminar. Los ingenieros habían conseguido el milagro: a pesar de ser sometido a una reducción de costes del 80 por ciento, sus capacidades de observación se mantenían casi intactas. Para conseguirlo, se incorporaron tecnologías especiales, se eligió una órbita innovadora, se mejoró el rendimiento del sistema de refrigeración y se adoptó un sistema telemétrico adaptado a un nivel inferior de comunicaciones con la Tierra.

 

El 25 de marzo de 1998, el administrador de la NASA, Daniel S. Goldin, autorizaba por fin el inicio de los trabajos de construcción del SIRTF. Controlado por el Jet Propulsion Laboratory, el programa entraría en la fase definitiva de desarrollo. La compañía Lockheed Martin Missiles and Space actuaría como contratista principal, mientras que Ball Aerospace and Technology se ocuparía del CTA (cryogenic telescope assembly), el complejo sistema refrigerado del telescopio. Tres instrumentos científicos volarían a bordo, aportados por grupos de trabajo independientes.

 

El telescopio propiamente dicho mediría 0,85 metros de diámetro. Junto a sus tres instrumentos científicos criogénicamente enfriados, daría forma al sistema de observación infrarroja más grande lanzado jamás al espacio (pesaría finalmente 950 kg). Dado que la radiación infrarroja es principalmente calor, sería necesario mantenerlo refrigerado constantemente hasta casi el cero absoluto (-273 grados Celsius), o de lo contrario el desprendido por el propio vehículo interferiría las señales recibidas desde el espacio. De la misma manera, se haría necesario protegerlo del calor del Sol y del que procede de la Tierra. Por eso fue dotado con un escudo térmico que evitaría la influencia solar, y sería lanzado hacia una órbita heliocéntrica que le haría permanecer lejos de nuestro planeta. Dicha órbita permitiría que el telescopio se enfriase rápidamente, sin necesidad de gastar grandes cantidades de refrigerante criogénico. Las reservas de refrigerante, definitivamente 360 litros de helio líquido, deberían bastar para una misión mínima de 2 años y medio, pero se esperaba que esta pudiese prolongarse unos 5 años. En cuanto se agotase el helio, cesaría la refrigeración y el telescopio quedaría inoperante.

 

[Img #37615]

 

No fue fácil construir una nave espacial como el observatorio SIRTF. Puede calificarse este como dos vehículos que actúan como uno solo. El primero (el CTA), refrigerado pocos grados por encima del cero absoluto. El segundo, sin refrigerar. En una misión de estas características, buena parte del éxito se mediría en función del control térmico que los ingenieros hubiesen podido lograr. Por eso, el telescopio estaba rodeado por una carcasa exterior que lanzaría el calor interno hacia el espacio, en dirección contraria al Sol, y también estaba protegido por la "sombra" lanzada por sus paneles solares, que actuarían como parasoles, ayudando a evitar que la radiación de nuestra estrella lo calentase. Además, los ingenieros colocaron escudos térmicos intermedios que interceptarían el calor que pudiese proceder de los paneles solares y de la propia plataforma del observatorio. Existía concretamente un escudo interno, uno en el medio y otro exterior. Todos, como la carcasa antes citada, serían refrigerados mediante vapor de helio. Procedente del tanque de helio líquido, al circular por las estructuras se vaporizaría, llevándose el calor. Para reducir la complejidad técnica y el coste, tanto el telescopio como la carcasa del criostato serían lanzados en "caliente". La órbita elegida, alejada de la Tierra, ayudaría a que se enfriasen poco a poco, ahorrando helio.

 

En el observatorio, el telescopio se encontraba montado sobre el criostato, mientras que el compartimiento con los instrumentos (MIC) se hallaba directamente sobre el tanque del helio. El "bus" o plataforma de servicio, por su parte, contenía todos los subsistemas necesarios para el funcionamiento del vehículo, incluyendo las telecomunicaciones, el control de orientación, gestión de órdenes, etc. A él estaban unidos un seguidor estelar para localizar puntos de referencia en el cielo, y un paquete de giroscopios, que permitirían un apuntado fino. En la parte trasera del bus se encontraba la antena principal. Por último, el SIRTF también disponía de un juego de pequeños propulsores químicos para asistir en sus movimientos.

 

El CTA (Cryogenic Telescope Assembly) es sin duda el elemento más complejo del observatorio. Como su nombre indica, todo lo relacionado con él estaría frío. El telescopio, los escudos, el compartimiento MIC y también el criostato. Por tanto, el CTA debía estar térmicamente aislado del resto del vehículo. El telescopio óptico, del tipo Ritchey-Chrétien, tiene una apertura, como ya se ha dicho, de 85 cm de diámetro. Pesó menos de 50 kg porque fue fabricado, excepto los soportes de los espejos, a base de una forma ligera de berilio. Este material es fuerte y además es térmicamente muy adecuado para trabajar a bajas temperaturas.

 

El compartimiento de instrumentos MIC (Multiple Instrument Chamber) contenía las partes frías de los tres experimentos científicos (la electrónica, en cambio, se hallaba en el bus). Todo en su interior estaba tremendamente ajustado, de modo que la única luz que pasase por él fuera la que iba a los instrumentos detectores. Medía 84 cm de diámetro y 20 cm de alto. En cuanto a los instrumentos propiamente dichos, tenemos la Infrared Array Camera (IRAC), que permitía realizar observaciones en las longitudes de onda del infrarrojo cercano y medio. Sería utilizada para una gran diversidad de programas astronómicos. La cámara, de cuatro canales, disponía de cuatro detectores de 256 por 256 píxeles. El segundo instrumento es el Infrared Spectrograph (IRS), que permitiría hacer espectrografía de alta y baja resolución en longitudes de onda medias. El IRS tiene cuatro módulos, cada uno adaptado a una porción del espectro infrarrojo. Sus detectores tienen 128 por 128 píxeles. Por último, el tercer instrumento es el Multiband Imaging Photometer for SIRTF (MIPS). Permitiría obtener imágenes y espectroscopia en la longitud de onda del infrarrojo lejano. Para ello cuenta con un detector de 128 por 128 píxeles, otro de 32 por 32, y uno más de 2 por 20 píxeles.

 

Todos los detectores infrarrojos de los instrumentos debían permanecer muy fríos para que sus lecturas no resultasen contaminadas por el calor generado por el propio SIRTF. El criostato se encargaría de este trabajo fundamental, permitiéndoles su funcionamiento a una temperatura de hasta 1,4 grados Kelvin durante la duración de la misión.

 

La zona caliente del observatorio, donde se encuentran unidos los paneles solares, el bus, etc., utilizaría una estructura octogonal en la que se almacenaría la aviónica y la electrónica de los instrumentos científicos. Aquí se gestionaría la energía eléctrica necesaria, y se procesarían las órdenes para orientar al telescopio hacia los objetivos. La información obtenida también sería recolectada en esta zona, comprimida y almacenada hasta que debiese ser transmitida a la Tierra a través de la antena principal. Debido a la órbita heliocéntrica elegida, sería necesaria la participación de la red de seguimiento de la NASA llamada Deep Space Network, la misma que mantiene el contacto con las sondas interplanetarias.

 

[Img #37616]

 

Gracias a la relativa cercanía con respecto al Sol, al observatorio le bastaría con dos paneles solares para proporcionar toda la energía necesaria para las operaciones. Los dos paneles formaban conjuntamente el Solar Panel Assembly y cada uno disponía de 392 células fotovoltaicas. En total, producirían 427 vatios de energía eléctrica. Pero dado que los paneles no podrían moverse libremente, el SIRTF no podría observar objetivos situados más allá de 120 grados de distancia respecto al Sol, o de lo contrario sus rayos no los iluminarían de manera adecuada y suficiente. Los astrónomos programarían sus observaciones en función de la posición del SIRTF con relación a nuestra estrella.

 

La NASA y su centro director, el Jet Propulsion Laboratory, el California Institute of Technology, el Infrared Processing and Analysis Center, la Cornell University, el Smithsonian Astrophysical Observatory, la University of Arizona, y las empresas Ball Aerospace y Lockheed Martin, todos ellos participantes en el programa, esperaron con ansiedad el lanzamiento del SIRTF. El lanzamiento quedó programado para julio de 2002, pero ciertos retrasos en la preparación y ensamblaje del SIRTF pospusieron esta fecha hasta el 3 de enero de 2003.

 

Tampoco esta pudo ser respetada, y el telescopio partió finalmente el 25 de agosto de 2003, a bordo de un cohete Delta-7920H, desde Cabo Cañaveral, el cual lo envió en dirección a una órbita solar, heliocéntrica, seleccionada de una forma muy precisa, con un afelio de 1,02 UA y un perihelio de 0,98 UA, y un período de 363 días.

 

Gestionando perfectamente su carga de refrigerante, el ahora llamado Spitzer ha tenido una vida longeva y fructífera. Su tarea consistiría en obtener imágenes y espectros en las longitudes de onda situadas entre los 3 y los 180 micrones. Este tipo de radiación infrarroja se encuentra casi en su totalidad enmascarada por la atmósfera terrestre y no puede ser observada desde la superficie de nuestro planeta. La lista de descubrimientos producidos por la misión es inacabable, y sigue aportando datos a los astrónomos.

 

Ha estudiado enanas marrones, la estructura y composición de los discos protoplanetarios que rodean a algunas estrellas jóvenes, galaxias muy lejanas, planetas extrasolares, etc.

 

La fase “fría” del telescopio se prolongó finalmente durante 5,5 años, más del doble de lo previsto. El 15 de mayo de 2009, el refrigerante se agotó, pero la misión continuó en la llamada fase “caliente”. El Spitzer sigue usando dos canales de su instrumento IRAC, sensible a frecuencias infrarrojas que no necesitan una refrigeración tan importante, y su actividad podría prolongarse durante el resto de la década.

 

 

Nombres

Lanzamiento

Hora (UTC)

Cohete

Polígono

Identificación

SIRTF (Spitzer Space Telescope)

25 de agosto de 2003

05:35:39

Delta-7920H (D300)

Cabo Cañaveral SLC17B

2003-38A

 

 

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