Stardust (nave espacial)
Stardust fue una sonda espacial robótica de 385 kilogramos lanzada por la NASA el 7 de febrero de 1999. Su misión principal era recolectar muestras de polvo de la coma del cometa Wild 2, así como muestras de polvo cósmico, y devolverlas a la Tierra para su análisis. Fue la primera misión de retorno de muestras de este tipo. En ruta hacia el cometa Wild 2, también pasó volando y estudió el asteroide 5535 Annefrank. La misión principal se completó con éxito el 15 de enero de 2006 cuando la cápsula de retorno de muestras regresó a la Tierra.
Una extensión de la misión, cuyo nombre en código es NexT, culminó en febrero de 2011 con Stardust interceptando el cometa Tempel 1, un pequeño cuerpo del Sistema Solar visitado anteriormente por Deep Impact en 2005. Stardust cesó sus operaciones en marzo de 2011.
El 14 de agosto de 2014, los científicos anunciaron la identificación de posibles partículas de polvo interestelar de la cápsula Stardust que regresó a la Tierra en 2006.
Antecedentes de la misión
Historia
A partir de la década de 1980, los científicos comenzaron a buscar una misión específica para estudiar un cometa. A principios de la década de 1990, varias misiones para estudiar el cometa Halley se convirtieron en las primeras misiones exitosas en devolver datos de cerca. Sin embargo, la misión cometaria de EE. UU., Comet Rendezvous Asteroid Flyby, fue cancelada por razones presupuestarias. A mediados de la década de 1990, se brindó más apoyo a una misión de clase Discovery más económica que estudiaría el cometa Wild 2 en 2004.
Stardust fue seleccionada competitivamente en el otoño de 1995 como una misión del Programa Discovery de la NASA de bajo costo con objetivos científicos altamente enfocados. La construcción de Stardust comenzó en 1996 y estaba sujeta a la restricción de contaminación máxima, protección planetaria de nivel 5. Sin embargo, el riesgo de contaminación interplanetaria por vida extraterrestre se consideró bajo, ya que se creía que los impactos de partículas a más de 450 metros por segundo (1000 mph), incluso en aerogel, eran terminales para cualquier microorganismo conocido.
Se seleccionó el cometa Wild 2 como objetivo principal de la misión por la rara oportunidad de observar un cometa de período largo que se ha aventurado cerca del Sol. Desde entonces, el cometa se ha convertido en un cometa de período corto después de un evento en 1974, donde la órbita de Wild 2 se vio afectada por la atracción gravitatoria de Júpiter, moviendo la órbita hacia adentro, más cerca del Sol. Al planificar la misión, se esperaba que la mayor parte del material original del que se formó el cometa aún se conservara.
Los principales objetivos científicos de la misión incluían:
- Proporcionar un flyby de un cometa de interés (Wild 2) a una velocidad suficientemente baja (menos de 6.5 km/s) de tal manera que la captura no destructiva del polvo de cometa es posible utilizando un colector de aerogel.
- Facilitando la interceptación de importantes cantidades de partículas de polvo interestelar utilizando el mismo medio de recogida, también a la velocidad más baja posible.
- Regresar tantas imágenes de alta resolución del coma de cometa y núcleo como sea posible, sujeto a las limitaciones de coste de la misión.
La nave espacial fue diseñada, construida y operada por Lockheed Martin Astronautics como una misión de clase Discovery en Denver, Colorado. JPL proporcionó gestión de misión para la división de operaciones de misión de la NASA. El investigador principal de la misión fue el Dr. Donald Brownlee de la Universidad de Washington.
Diseño de naves espaciales
El autobús de la nave espacial medía 1,7 metros (5 pies 7 pulgadas) de largo y 0,66 metros (2 pies 2 pulgadas) de ancho, un diseño adaptado del autobús de espacio profundo SpaceProbe desarrollado por Lockheed Martin Astronautics. El autobús se construyó principalmente con paneles de fibra de grafito con una estructura de soporte de panal de aluminio debajo; toda la nave espacial se cubrió con policianato, láminas de Kapton para mayor protección. Para mantener los costos bajos, la nave espacial incorporó muchos diseños y tecnologías utilizados en misiones pasadas o desarrollados previamente para futuras misiones por la Iniciativa de Tecnologías de Pequeñas Naves Espaciales (SSTI). La nave espacial presentaba cinco instrumentos científicos para recopilar datos, incluida la bandeja de recolección de muestras Stardust, que se llevó a la Tierra para su análisis.
Control de actitud y propulsión
La nave espacial se estabilizó en tres ejes con ocho propulsores monopropulsores de hidracina de 4,41 N y ocho propulsores de 1 N para mantener el control de actitud (orientación); Estos propulsores también realizaron las maniobras de propulsión menores necesarias. La nave espacial se lanzó con 80 kilogramos de propulsor. La información para el posicionamiento de la nave espacial fue proporcionada por una cámara estelar que usa FSW para determinar la actitud (Brújula estelar), una unidad de medición inercial y dos sensores solares. El software Stellar Compass fue proporcionado por Intelligent Decisions, Inc.
Comunicaciones
Para comunicarse con Deep Space Network, la nave espacial transmitió datos a través de la banda X utilizando una antena parabólica de alta ganancia de 0,6 metros (2 pies 0 pulgadas), una antena de ganancia media (MGA) y antenas de baja ganancia (LGA) según la fase de la misión, y un diseño de transpondedor de 15 vatios originalmente destinado a la nave espacial Cassini.
Poder
La sonda estaba alimentada por dos paneles solares, lo que proporcionaba una potencia media de 330 vatios. Los conjuntos también incluían escudos Whipple para proteger las superficies delicadas del polvo cometario potencialmente dañino mientras la nave espacial estaba en coma de Wild 2. El diseño del conjunto solar se derivó principalmente de las pautas de desarrollo de naves espaciales de la Iniciativa de Tecnología de Pequeñas Naves Espaciales (SSTI). Los arreglos proporcionaron un método único para cambiar cadenas de serie a paralelo dependiendo de la distancia al Sol. También se incluyó una sola batería de níquel-hidrógeno (NiH2) para proporcionar energía a la nave espacial cuando los paneles solares recibían muy poca luz solar.
Ordenador
La computadora de la nave espacial funcionaba con una tarjeta de procesador de 32 bits RAD6000 resistente a la radiación. Para almacenar datos cuando la nave espacial no pudo comunicarse con la Tierra, la tarjeta del procesador pudo almacenar 128 megabytes, el 20% de los cuales estaba ocupado por el software del sistema de vuelo. El software del sistema es una forma de VxWorks, un sistema operativo integrado desarrollado por Wind River Systems.
Instrumentos científicos
| Cámara de navegaciónNC) | |||
 | La cámara está destinada a apuntar cometa Wild 2 durante el flyby del núcleo. Captura imágenes en blanco y negro a través de una rueda de filtro que permite montar imágenes de color y detectar ciertas emisiones de gas y polvo en el coma. También captura imágenes en varios ángulos de fase, lo que permite crear un modelo tridimensional de un objetivo para comprender mejor el origen, morfología e inhomogeneidades mineralógicas en la superficie del núcleo. La cámara utiliza el montaje óptico de la cámara Voyager Wide Angle. Además está equipado con un espejo de escaneo para variar el ángulo de visualización y evitar partículas potencialmente dañinas. Para las pruebas ambientales y la verificación de la NAVCAM el único montaje de cámara de repuesto Voyager restante se utilizó como colimador para la prueba de la óptica de imagen primaria. A target at the focal point of the spare was imaged through the óptico path of the NAVCAM for verification.
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| Cometary and Interstellar Dust AnalyzerCIDA) | |||
 | El analizador de polvo es un espectrómetro de masas capaz de proporcionar detección y análisis en tiempo real de ciertos compuestos y elementos. Las partículas entran en el instrumento después de colisionar con una placa de impacto de plata y viajando por un tubo al detector. El detector puede entonces detectar la masa de iones separados midiendo el tiempo necesario para que cada ión entre y viaje por el instrumento. También se incluyeron instrumentos idénticos en Giotto y Vega 1 y 2.
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| Instrumento de monitor de flujo de polvoDFMI) | |||
 | Situado en el escudo Whipple en la parte delantera de la nave espacial, la unidad sensor proporciona datos sobre el flujo y distribución de tamaño de partículas en el entorno alrededor de Wild 2. Se registran datos generando pulsos eléctricos como un sensor de plástico polarizado especial (PVDF) es golpeado por partículas de alta energía tan pequeña como unos pocos micrometros.
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| Colección de muestras de StardustSSC) | |||
 | El coleccionista de partículas utiliza aerogel, una sustancia de baja densidad, inerte, microporosa, basada en sílice, para capturar granos de polvo a medida que la nave espacial pasa por el coma de Wild 2. Después de la recogida de muestras fue completa, el coleccionista se reclutó en la cápsula de retorno de la muestra para entrar en la atmósfera de la Tierra. La cápsula con muestras encasadas sería recuperada de la superficie de la Tierra y estudiada.
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| Experimento de ciencias dinámicasDSE) | |||
El experimento utilizará principalmente el sistema de telecomunicaciones de banda X para llevar a cabo la ciencia de radio en Wild 2, para determinar la masa del cometa; en segundo lugar, la unidad de medición inercial se utiliza para estimar el impacto de grandes colisiones de partículas en la nave espacial.
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Colección de muestras
Las partículas interestelares y de cometas se recogen en aerogel de ultra baja densidad. La bandeja colectora del tamaño de una raqueta de tenis contenía noventa bloques de aerogel, proporcionando más de 1000 centímetros cuadrados de área de superficie para capturar granos de polvo cometario e interestelar.
Para recoger las partículas sin dañarlas, se utiliza un sólido a base de silicio con una estructura porosa similar a una esponja en la que el 99,8 % del volumen es espacio vacío. El aerogel tiene 1⁄1000 la densidad del vidrio, otro sólido a base de silicio con el que se puede comparar. Cuando una partícula golpea el aerogel, queda enterrada en el material, creando una larga trayectoria, de hasta 200 veces la longitud del grano. El aerogel se empaquetó en una rejilla de aluminio y se colocó en una Cápsula de Retorno de Muestra (SRC), que iba a ser liberada de la nave espacial cuando pasara por la Tierra en 2006.
Para analizar el aerogel en busca de polvo interestelar, se necesitarán un millón de fotografías para obtener imágenes de la totalidad de los granos muestreados. Las imágenes se distribuirán a los usuarios de computadoras en el hogar para ayudar en el estudio de los datos utilizando un programa titulado Stardust@home. En abril de 2014, la NASA informó que había recuperado siete partículas de polvo interestelar del aerogel.
Diagrama de la nave espacial
Stardust cápsula con coleccionista de aerogel desplegado
Stardust en espera de la prueba de los arrays solares
Los arrays solares que se están revisando en el Servicio de Prestación de Servicios Peligrosos
Stardust ser revisado antes de la encapsulación
Microchip de polvo de estrellas
Stardust se lanzó con dos juegos de pares idénticos de obleas de silicio cuadradas de 10,16 centímetros (4 pulgadas). Cada par presentaba grabados de más de un millón de nombres de personas que participaron en el programa de divulgación pública completando formularios de Internet disponibles a fines de 1997 y mediados de 1998. Un par de microchips se colocó en la nave espacial y el otro se adjuntó a la cápsula de retorno de muestra.
Perfil de la misión
Lanzamiento y trayectoria
Stardust· 81P/Wild· Tierra· 5535 Annefrank· Tempel 1
Stardust fue lanzado a las 21:04:15 UTC del 7 de febrero de 1999 por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio desde el Complejo de Lanzamiento Espacial 17A en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral en Florida, a bordo de un Delta Vehículo de lanzamiento II 7426. La secuencia completa de encendido duró 27 minutos y llevó a la nave espacial a una órbita heliocéntrica que llevaría a la nave espacial alrededor del Sol y más allá de la Tierra para una maniobra de asistencia gravitatoria en 2001, para alcanzar el asteroide 5535 Annefrank en 2002 y el cometa Wild 2 en 2004 a un nivel bajo. velocidad de sobrevuelo de 6,1 km/s. En 2004, la nave espacial realizó una corrección de rumbo que le permitiría pasar por la Tierra por segunda vez en 2006, para liberar la Cápsula de Retorno de Muestra para un aterrizaje en Utah en Bonneville Salt Flats.
Durante el segundo encuentro con la Tierra, la cápsula de retorno de muestras se lanzó el 15 de enero de 2006. Inmediatamente después, Stardust se puso en una "maniobra de desviación" para evitar entrar en la atmósfera junto a la cápsula. Menos de veinte kilogramos de propulsor permanecieron a bordo después de la maniobra. El 29 de enero de 2006, la nave espacial se puso en modo de hibernación con solo los paneles solares y el receptor activos, en una órbita heliocéntrica de 3 años que la devolvería a la vecindad de la Tierra el 14 de enero de 2009.
El 3 de julio de 2007 se aprobó una extensión de la misión posterior para que la nave espacial volviera a estar en pleno funcionamiento para un sobrevuelo del cometa Tempel 1 en 2011. La extensión de la misión fue la primera en volver a visitar un cuerpo pequeño del Sistema Solar y utilizó el propulsor restante, lo que indica el final de la vida útil de la nave espacial.
| Horario de viaje | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Esquema explorada del vehículo Delta II con Stardust.
Stardust durante el lanzamiento con un vehículo de lanzamiento Delta II.
Trayectoria del Stardust naves espaciales en ruta a Wild 2.
Encuentro con Ana Frank
A las 04:50:20 UTC del 2 de noviembre de 2002, Stardust encontró el asteroide 5535 Annefrank desde una distancia de 3079 km (1913 mi). El ángulo de fase solar osciló entre 130 grados y 47 grados durante el período de observaciones. Este encuentro se utilizó principalmente como prueba de ingeniería de la nave espacial y operaciones terrestres en preparación para el encuentro con el cometa Wild 2 en 2003.
Imagen del asteroide Annefrank capturado el 2 de noviembre de 2002
Imagen falsa del asteroide Annefrank
Encuentro con Salvaje 2
A las 19:21:28 UTC del 2 de enero de 2004, Stardust se encontró con el cometa Wild 2 en el lado del sol con una velocidad relativa de 6,1 km/s a una distancia de 237 km (147 mi). Se planeó que la distancia de encuentro original fuera de 150 km (93 mi), pero esto se cambió después de que una junta de revisión de seguridad aumentó la distancia de aproximación más cercana para minimizar el potencial de colisiones de polvo catastróficas.
La velocidad relativa entre el cometa y la nave espacial fue tal que el cometa superó a la nave espacial por detrás mientras viajaba alrededor del Sol. Durante el encuentro, la nave espacial estaba en el lado iluminado por el Sol del núcleo, acercándose con un ángulo de fase solar de 70 grados, alcanzando un ángulo mínimo de 3 grados cerca de la aproximación más cercana y saliendo con un ángulo de fase de 110 grados. El software AutoNav se utilizó durante el sobrevuelo.
Durante el sobrevuelo, la nave espacial desplegó la placa de recolección de muestras para recolectar muestras de granos de polvo del coma y tomó fotografías detalladas del núcleo helado.
Comet Wild 2 visto desde Stardust el 2 de enero de 2004
Imagen de Wild 2 tomada durante la fase de aproximación más cercana
Una imagen sobreexpuesta de Wild 2 mostrando ciruelas de material
Un anaglisis 3D de cometa Wild 2
Nueva exploración de Tempel 1 (NexT)
El 19 de marzo de 2006, los científicos de Stardust anunciaron que estaban considerando la posibilidad de redirigir la nave espacial en una misión secundaria para obtener imágenes del cometa Tempel 1. El cometa fue anteriormente el objetivo de la misión Deep Impact en 2005, enviando un impactador a la superficie. La posibilidad de esta extensión podría ser vital para recopilar imágenes del cráter del impacto que Deep Impact no logró capturar debido a que el polvo del impacto oscureció la superficie.
El 3 de julio de 2007, se aprobó la extensión de la misión y se renombró como Nueva exploración de Tempel 1 (NExT). Esta investigación proporcionaría la primera mirada a los cambios en el núcleo de un cometa producidos después de un acercamiento cercano al Sol. NExT también ampliaría el mapeo de Tempel 1, convirtiéndolo en el núcleo de cometa más mapeado hasta la fecha. Este mapeo ayudaría a abordar las principales cuestiones de la geología del núcleo del cometa. Se esperaba que la misión de sobrevuelo consumiera casi todo el combustible restante, lo que indica el final de la operatividad de la nave espacial. El software AutoNav (para navegación autónoma) controlaría la nave espacial durante los 30 minutos previos al encuentro.
Los objetivos de la misión incluían lo siguiente:
Objetivos principales
- Extender la comprensión actual de los procesos que afectan las superficies de los núcleos de cometa documentando los cambios que han ocurrido en el cometa Tempel 1 entre dos sucesivos pasajes periheliones, o órbitas alrededor del Sol.
- Extender el mapeo geológico del núcleo de Tempel 1 para esclarecer el alcance y la naturaleza de la capa, y ayudar a refinar los modelos de la formación y estructura de los núcleos de cometa.
- Ampliar el estudio de los depósitos de flujo liso, las áreas activas y la exposición conocida del hielo de agua.
Objetivos secundarios
- Potentially image and characterize the crater produced by Deep Impact in July 2005, to better understand the structure and mechanical properties of cometary nuclei and elucidate crater formation processes on them.
- Medir la densidad y distribución masiva de partículas de polvo dentro del coma utilizando el Instrumento de Monitor de Flujo de Polvo.
- Analizar la composición de partículas de polvo dentro del coma utilizando el instrumento Comet y el analizador del polvo interestelar.
Encuentro con Tempel 1
A las 04:39:10 UTC del 15 de febrero de 2011, Stardust-NExT se encontró con Tempel 1 desde una distancia de 181 km (112 mi). Se estima que se adquirieron 72 imágenes durante el encuentro. Estos mostraron cambios en el terreno y revelaron porciones del cometa nunca vistas por Deep Impact. También se observó el sitio de impacto de Deep Impact, aunque apenas era visible debido al material que se asentó nuevamente en el cráter.
Tempel 1 de la Stardust-NExT naves espaciales durante el enfoque más cercano
'Antes y después' compara imágenes de Tempel 1 por Impacto profundo ()izquierda) y Stardust ()derecho)
Fin de la misión extendida
El 24 de marzo de 2011 aproximadamente a las 23:00 UTC, Stardust realizó una quema para consumir el combustible restante. A la nave espacial le quedaba poco combustible y los científicos esperaban que los datos recopilados ayudaran a desarrollar un sistema más preciso para estimar los niveles de combustible en la nave espacial. Una vez recopilados los datos, no fue posible orientar más la antena y el transmisor se apagó. La nave espacial envió un reconocimiento desde aproximadamente 312 millones de kilómetros (194 millones de millas) de distancia en el espacio.
Devolución de muestra
El 15 de enero de 2006, a las 05:57 UTC, la cápsula de retorno de muestra se separó con éxito de Stardust. El SRC volvió a entrar en la atmósfera de la Tierra a las 09:57 UTC, con una velocidad de 12,9 km/s, la mayor velocidad de reentrada en la atmósfera de la Tierra jamás alcanzada por un objeto hecho por el hombre. La cápsula siguió un perfil de reingreso drástico, pasando de una velocidad de Mach 36 a una velocidad subsónica en 110 segundos. La desaceleración máxima fue de 34 g, encontrada a los 40 segundos del reingreso a una altitud de 55 km sobre Spring Creek, Nevada. El escudo térmico del ablador de carbono impregnado con fenólico (PICA), producido por Fiber Materials Inc., alcanzó una temperatura de más de 2900 °C durante esta reentrada pronunciada. Luego, la cápsula se lanzó en paracaídas al suelo y finalmente aterrizó a las 10:12 UTC en el campo de pruebas y entrenamiento de Utah, cerca del campo de pruebas de Dugway del ejército de EE. UU. Luego, la cápsula fue transportada por un avión militar desde Utah a la Base de la Fuerza Aérea Ellington en Houston, Texas, luego transferida por carretera en un convoy no anunciado a las instalaciones de Conservación de Materiales Planetarios en el Centro Espacial Johnson en Houston para comenzar el análisis.
Procesamiento de muestras
El contenedor de muestra se llevó a una sala limpia con un factor de limpieza 100 veces mayor que el de la sala de operaciones de un hospital para garantizar que el polvo interestelar y del cometa no estuviera contaminado. Las estimaciones preliminares sugirieron que al menos un millón de motas microscópicas de polvo estaban incrustadas en el colector de aerogel. Se encontró que diez partículas tenían al menos 100 micrómetros (0,1 mm) y la más grande aproximadamente 1000 micrómetros (1 mm). También se encontraron aproximadamente 45 impactos de polvo interestelar en el colector de muestras, que residía en la parte posterior del colector de polvo cometario. Los granos de polvo están siendo observados y analizados por un equipo de voluntarios a través del proyecto de ciencia ciudadana Stardust@Home.
La masa combinada de la muestra recolectada fue de aproximadamente 1 mg.
En diciembre de 2006, se publicaron siete artículos en la revista científica Science, en los que se discutían los detalles iniciales del análisis de la muestra. Entre los hallazgos se encuentran: una amplia gama de compuestos orgánicos, incluidos dos que contienen nitrógeno biológicamente utilizable; hidrocarburos alifáticos autóctonos con longitudes de cadena más largas que las observadas en el medio interestelar difuso; abundantes silicatos amorfos además de silicatos cristalinos como el olivino y el piroxeno, demostrando consistencia con la mezcla del Sistema Solar y la materia interestelar, previamente deducida espectroscópicamente a partir de observaciones terrestres; se encontró que los silicatos hidratados y los minerales de carbonato estaban ausentes, lo que sugiere una falta de procesamiento acuoso del polvo cometario; también se encontró carbono puro limitado (CHON) en las muestras devueltas; Se encontró metilamina y etilamina en el aerogel, pero no se asoció con partículas específicas.
En 2010, el Dr. Andrew Westphal anunció que el voluntario de Stardust@home, Bruce Hudson, encontró una pista (etiquetada como "I1043,1,30") entre las muchas imágenes del aerogel que puede contener un grano de polvo interestelar.. El programa permite que cualquier descubrimiento voluntario sea reconocido y nombrado por el voluntario. Hudson llamó a su descubrimiento 'Orión'.
En abril de 2011, científicos de la Universidad de Arizona descubrieron pruebas de la presencia de agua líquida en el cometa Wild 2. Encontraron minerales de sulfuro de hierro y cobre que se deben haber formado en presencia de agua. El descubrimiento rompe el paradigma existente de que los cometas nunca se calientan lo suficiente como para derretir su masa helada. En la primavera de 2014 se anunció la recuperación de partículas de polvo interestelar de la misión Stardust del programa Discovery.
Las muestras de Stardust están actualmente disponibles para que todos las identifiquen después de completar la capacitación en la página web de Berkeley.
Ubicación de la nave espacial
La cápsula de retorno se encuentra actualmente en el Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, D.C. Comenzó a exhibirse allí el 1 de octubre de 2008, el 50.° aniversario del establecimiento de la NASA. La cápsula de retorno se muestra en el modo de recolección de muestras, junto con una muestra del aerogel utilizado para recolectar muestras.
Resultados
Las muestras de cometas muestran que las regiones exteriores del Sistema Solar primitivo no estaban aisladas y no eran un refugio donde los materiales interestelares pudieran sobrevivir comúnmente. Los datos sugieren que se formó material del Sistema Solar interior de alta temperatura y posteriormente se transfirió al cinturón de Kuiper.
- Glycine
En 2009, la NASA anunció que los científicos habían identificado por primera vez uno de los componentes químicos fundamentales de la vida en un cometa: se detectó glicina, un aminoácido, en el material expulsado por el cometa Wild 2 en 2004 y capturado por la sonda Stardust. La glicina se ha detectado antes en meteoritos y también hay observaciones en nubes de gas interestelar, pero el hallazgo de Stardust se describe como el primero en material cometario. El análisis de isótopos indica que el Bombardeo Pesado Tardío incluyó impactos de cometas después de que la Tierra se fusionara pero antes de que evolucionara la vida. Carl Pilcher, que dirige el Instituto de Astrobiología de la NASA, comentó que "el descubrimiento de glicina en un cometa respalda la idea de que los elementos fundamentales de la vida prevalecen en el espacio y fortalece el argumento de que la vida en el universo puede ser común en lugar de raro."