Génesis (nave espacial)
Génesis fue una sonda de retorno de muestras de la NASA que recolectó una muestra de partículas de viento solar y las devolvió a la Tierra para su análisis. Fue la primera misión de retorno de muestras de la NASA en devolver material desde el programa Apolo, y la primera en devolver material de más allá de la órbita de la Luna. Genesis se lanzó el 8 de agosto de 2001, y la cápsula de retorno de muestras se estrelló en Utah el 8 de septiembre de 2004, después de que una falla de diseño impidiera el despliegue de su paracaídas flotante. El accidente contaminó a muchos de los recolectores de muestras. Aunque la mayoría resultó dañada, algunos de los colectores se recuperaron con éxito.
El equipo científico de Génesis demostró que parte de la contaminación podría eliminarse o evitarse, y que las partículas del viento solar podrían analizarse utilizando una variedad de enfoques, logrando todos los objetivos de la misión. principales objetivos científicos.
Objetivos
Los principales objetivos científicos de la misión eran:
- Para obtener abundancias isotópicas solares precisas de iones en el viento solar, ya que esencialmente no hay datos que tengan una precisión suficiente para resolver problemas científicos planetarios están disponibles;
- Obtener grandes cantidades solares elementales mejoradas por factor de 3-10 en precisión sobre lo que está en la literatura;
- Proporcionar un depósito de materia solar para la ciencia del siglo XXI para ser archivado de forma similar a las muestras lunares.
Tenga en cuenta que los objetivos científicos de la misión se refieren a la composición del Sol, no a la del viento solar. Los científicos desean una muestra del Sol porque la evidencia sugiere que la capa exterior del Sol conserva la composición de la nebulosa solar primitiva. Por lo tanto, conocer la composición elemental e isotópica de la capa exterior del Sol es lo mismo que conocer la composición elemental e isotópica de la nebulosa solar. Los datos se pueden usar para modelar cómo se formaron los planetas y otros objetos del Sistema Solar, y luego extender esos resultados para comprender la evolución estelar y la formación de sistemas planetarios en otras partes del universo.
Claramente, la opción ideal para la recolección de muestras sería enviar una nave espacial al propio Sol y recolectar algo de plasma solar; sin embargo, eso es difícil debido al intenso calor de los gases sobrecalentados del Sol, así como al entorno electromagnético dinámico de la corona solar, cuyas llamaradas interfieren regularmente con la electrónica de las naves espaciales distantes. Afortunadamente, el Sol arroja continuamente parte de su capa exterior en forma de viento solar.
En consecuencia, para cumplir con los objetivos científicos de la misión, la nave espacial Génesis fue diseñada para recolectar iones de viento solar y devolverlos a la Tierra para su análisis. Génesis llevaba varios colectores de viento solar diferentes, todos los cuales recolectaban viento solar de forma pasiva; es decir, los colectores se colocaron en el espacio frente al Sol, mientras que los iones del viento solar chocaron contra ellos a velocidades superiores a 200 km/s (120 mi/s) y, al impactar, se enterraron en la superficie de los colectores. Esta colección pasiva es un proceso similar al utilizado por la industria de semiconductores para fabricar ciertos tipos de dispositivos, y el programa de libre acceso SRIM proporciona una simulación del proceso.
La mayoría de los colectores de Génesis tomaron muestras continuamente de todo el viento solar que encontró la nave espacial (el "viento solar a granel"). Sin embargo, la nave espacial también transportaba tres conjuntos de colectores que se desplegaron cuando "regímenes" (eyecciones de masa coronal rápidas, lentas) de viento solar, según lo determinado por los monitores de electrones e iones a bordo. Estos conjuntos de colectores desplegables fueron diseñados para proporcionar datos para probar la hipótesis de que los elementos formadores de rocas mantienen sus proporciones relativas a lo largo de los procesos que forman el viento solar.
Había un tercer tipo de colector en Génesis: el concentrador, que recolectaba el viento solar a granel, pero discriminaba porque repelía electrostáticamente el hidrógeno y tenía suficiente voltaje para concentrar los elementos más ligeros del viento solar en un objetivo pequeño, concentrando esos iones por un factor de ~20. El objetivo del concentrador era traer una muestra con cantidades mejoradas de iones de viento solar para que los analistas pudieran medir con precisión los isótopos de los elementos ligeros.
Operación
Perfil de la misión
Génesis fue una misión de clase Discovery del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el Instituto de Tecnología de California. La nave espacial fue diseñada y construida por Lockheed Martin Space Systems a un costo total de la misión de US$264 millones.
La NASA lanzó la nave en un cohete Delta II 7326 el 8 de agosto de 2001 a las 16:13:40 UTC desde Cabo Cañaveral. El desarrollo de la trayectoria de la misión estuvo a cargo de Martin Lo. Después del lanzamiento, Genesis viajó a la Tierra-Sol L1 y luego realizó una maniobra de inserción en órbita de Lissajous, entrando en una órbita elíptica alrededor de L1 el 16 de noviembre de 2001. Genesis expuso sus conjuntos de colectores el 3 de diciembre y comenzó a recolectar partículas de viento solar. El proceso de recolección terminó después de 850 días, el 1 de abril de 2004, cuando la nave espacial completó cinco bucles de halo alrededor de L1. Génesis comenzó su regreso a la Tierra el 22 de abril de 2004. La fase de regreso incluyó un desvío orbital hacia la Tierra L2 para que la nave pudiera recuperarse durante el día, ya que una aproximación directa la habría obligado a recuperarse por la noche. Después de completar un bucle de halo alrededor de L2, la cápsula de retorno de muestra Génesis se separó del autobús de la nave espacial y regresó a la Tierra para la recuperación planificada el 8 de septiembre de 2004.
Fase de recuperación
Después de completar la fase de recolección, los conjuntos de colectores se guardaron en una cápsula de retorno de muestras y la nave espacial regresó a la Tierra. A medida que la cápsula se acercaba a la Tierra y en las primeras etapas de reingreso, todo parecía estar bien.
Se llevó a cabo una extensa planificación para la recuperación de la cápsula. Un aterrizaje normal en paracaídas podría haber dañado las delicadas muestras, por lo que el diseño de la misión requería una recuperación en el aire de la cápsula de retorno de muestras. Aproximadamente a 33 km (21 mi) sobre el suelo, se desplegaría un paracaídas drogue para un descenso lento. Luego, a una altura de 6,7 km (4,2 mi), se desplegaría un gran paracaídas para frenar aún más el descenso y dejar la cápsula en vuelo estable. Un helicóptero, con un segundo helicóptero como respaldo, intentaría atrapar la cápsula por su paracaídas en el extremo de un gancho de cinco metros. Una vez recuperada, la cápsula habría aterrizado suavemente.
La cápsula de retorno de muestras entró en la atmósfera de la Tierra sobre el norte de Oregón a las 16:55 UTC del 8 de septiembre de 2004, con una velocidad de aproximadamente 11,04 km/s (24 706 mph). Debido a una falla de diseño en un sensor de desaceleración, el despliegue del paracaídas nunca se activó y el descenso de la nave espacial fue frenado solo por su propia resistencia del aire. La recuperación planeada en el aire no se pudo llevar a cabo y la cápsula se estrelló contra el suelo del desierto de Dugway Proving Ground en el condado de Tooele, Utah, a unos 86 m/s (310 km/h; 190 mph).
La cápsula se abrió con el impacto y parte de la cápsula de muestra interna también se rompió. El daño fue menos severo de lo que cabría esperar dada su velocidad; hasta cierto punto fue amortiguado al caer en un suelo bastante blando.
Los dispositivos pirotécnicos no disparados en el sistema de despliegue del paracaídas y los gases tóxicos de las baterías retrasaron el acercamiento del equipo de recuperación al lugar del accidente. Una vez que todo estuvo seguro, la cápsula de retorno de muestras dañada se aseguró y se trasladó a una sala limpia para su inspección; simultáneamente, un equipo de personal capacitado recorrió el sitio en busca de fragmentos de colectores y tomó muestras del suelo del desierto local para archivarlos como referencia para identificar posibles contaminantes en el futuro. Los esfuerzos de recuperación por parte de los miembros del equipo de Génesis en el campo de pruebas y entrenamiento de Utah, que incluyeron la inspección, catalogación y empaque de varios colectores, tomaron cuatro semanas.
Destino del autobús espacial
Después de liberar la cápsula de retorno de muestras el 8 de septiembre de 2004, el autobús de la nave espacial viajó de regreso hacia el punto de Lagrange Tierra-Sol (L1). Se realizó una maniobra de corrección de trayectoria el 6 de noviembre de 2004, lo que permitió que el autobús de la nave espacial finalmente abandonara L1 si no se usaba para una misión prolongada. Los comandos finales se transmitieron al autobús el 2 de diciembre de 2004, poniendo a Génesis en hibernación. Mientras esté en este "seguro" seguirá transmitiendo información sobre su estado, orientando de forma autónoma sus paneles solares hacia el Sol. El autobús de la nave espacial salió de L1 alrededor del 1 de febrero de 2005, permaneciendo en una órbita heliocéntrica que conduce a la Tierra.
Extracción de muestras y resultados
Las investigaciones iniciales mostraron que algunas obleas se habían desmoronado con el impacto, pero otras estaban prácticamente intactas. La tierra del desierto entró en la cápsula, pero no el agua líquida. Debido a que se esperaba que las partículas del viento solar se incrustaran en las obleas, mientras que se pensaba que la suciedad contaminante probablemente yacía solo en la superficie, fue posible separar la suciedad de las muestras. Inesperadamente, no fue el suelo del desierto terrestre introducido en el choque lo que resultó más difícil de manejar durante el proceso de análisis de la muestra, sino los propios compuestos de la nave, como lubricantes y materiales de construcción.
El equipo de análisis afirmó que deberían poder lograr la mayoría de sus objetivos científicos primarios. El 21 de septiembre de 2004, comenzó la extracción y, en enero de 2005, se envió una primera muestra de una oblea de aluminio a científicos de la Universidad de Washington en St. Louis para su análisis.
Las muestras de viento solar de Génesis están bajo conservación a largo plazo en el Centro Espacial Johnson de la NASA para que, a medida que evolucionen las técnicas de análisis de muestras, las muestras prístinas de viento solar estén disponibles para la comunidad científica en las próximas décadas..
Gases nobles
En 2007, científicos de la Universidad de Washington publicaron hallazgos detallados de isótopos de neón y argón. Los resultados restantes sobre la composición elemental e isotópica de los gases nobles se informaron en 2009. Los resultados concuerdan con los datos de muestras lunares que contienen "jóvenes" (~100 millones de años) viento solar, lo que indica que la composición del viento solar no ha cambiado en al menos los últimos 100 millones de años.
Isótopos de oxígeno
El 20 de abril de 2005, los científicos del Centro Espacial Johnson en Houston retiraron los cuatro colectores de viento solar del concentrador y los encontraron en excelentes condiciones. Los objetivos del concentrador recolectaron iones de oxígeno solar durante la misión y se analizarían para medir la composición isotópica del oxígeno solar, el objetivo de medición de mayor prioridad para Génesis.
El equipo anunció el 10 de marzo de 2008 que el análisis de una oblea de carburo de silicio del concentrador Génesis mostró que el Sol tiene una mayor proporción de oxígeno-16 (16O) en relación con la Tierra, la Luna, Marte y meteoritos a granel. Esto implica que un proceso desconocido agotó el oxígeno-16 en aproximadamente un 6% del disco de material protoplanetario del Sol antes de la coalescencia de los granos de polvo que formaron los planetas interiores y el cinturón de asteroides.
Isótopos de nitrógeno
El nitrógeno era un elemento objetivo clave porque se desconocía el alcance y el origen de sus variaciones isotópicas en los materiales del Sistema Solar. El material objetivo mostró que el nitrógeno del viento solar implantado tiene un 15N/ 14N proporción de 2.18×10−3 (es decir, ≈40 % más pobre en 15N relativo a la atmósfera terrestre). El 15N/14N la proporción de la nebulosa protosolar fue 2.27×10−3, que es el 15 más bajo Relación de N/14N conocida para los objetos del Sistema Solar. Este resultado demuestra la extrema heterogeneidad isotópica de nitrógeno del Sistema Solar naciente y explica el 15N-empobrecido componentes observados en los reservorios del Sistema Solar.
Junta de Investigación de Percances (MIB)
Se nombró una Junta de investigación de percances (MIB) de la NASA de 16 miembros, incluidos expertos en pirotecnia, aviónica y otras especialidades. El MIB comenzó su trabajo el 10 de septiembre de 2004, cuando llegó a Dugway Proving Ground. Determinó que todo el hardware científico destinado a ser curado por el Centro Espacial Johnson podría liberarse y no era necesario para el trabajo de la junta. Tanto JPL como Lockheed Martin comenzaron a preparar datos de vuelo y otros registros para el MIB.
El MIB anunció el 20 de septiembre de 2004 que la cápsula, una vez extraído el material científico, se trasladaría a las instalaciones de Lockheed Martin Space Systems cerca de Denver, Colorado, para uso del MIB.
En un comunicado de prensa del 14 de octubre se anunció una posible causa principal del despliegue fallido de los paracaídas. Lockheed Martin había diseñado el sistema con los mecanismos internos de un sensor de aceleración mal orientados (un interruptor G estaba al revés), y las revisiones de diseño no detectaron el error. El acelerómetro se instaló de acuerdo con el diseño incorrecto. El diseño previsto era hacer un contacto eléctrico dentro del sensor a 3 g (29 m/s2), manteniéndolo durante el máximo esperado de 30 g (290 m/s2) y rompiendo el contacto nuevamente a 3 g para iniciar la secuencia de lanzamiento del paracaídas. En cambio, nunca se hizo ningún contacto.
El mismo concepto general de paracaídas también se usó en la nave espacial de retorno de muestras de cometas Stardust, que aterrizó con éxito en 2006.
El presidente de la junta de investigación de la NASA, Michael Ryschkewitsch, señaló que ninguno de los estrictos procedimientos de revisión de la NASA había detectado un error y dijo: "Sería muy fácil mezclar esto".
Este percance es similar al evento original que inspiró a Edward A. Murphy Jr. a formular la ahora famosa Ley de Murphy: un acelerómetro instalado al revés. El 6 de enero de 2006, Ryschkewitsch reveló que Lockheed Martin omitió un procedimiento de prueba previa en la nave, y señaló que la prueba podría haber detectado fácilmente el problema.