Diez puñeteros metros (I)

La New Horizons en Plutón —visión artística. (Fuente: NASA.)
La New Horizons en Plutón —visión artística. (Fuente: NASA.)

¿No es cierto que vivimos tiempos maravillosos? El pasado 14 de julio, a las 11:50 UTC, una pequeña nave robot de menos de media tonelada de masa, denominada con el poético nombre de «Nuevos Horizontes» (New Horizons, en su inglés original), pasó a 12.500 kilómetros de Plutón mientras ejecutaba un apretado programa de fotografías y medidas con sus siete instrumentos científicos.

Plutón se encontraba en ese momento a unas 31,964 unidades astronómicas de distancia de la Tierra; unos 4.782 millones de kilómetros. Cuesta interiorizarlo, ¿verdad? Si además pensamos que la New Horizons se desplazaba a casi 14 kilómetros por segundo —14 veces más rápido que la velocidad punta del SR-71, el avión tripulado más rápido de la historia; 43 veces más rápido que una bala del calibre .22 estándar; 115 veces más rápido que la velocidad del pensamiento, la rapidez con la que se propagan nuestros estímulos nerviosos— empezamos a darnos cuenta de la enormidad de la hazaña.

No se trata solamente de «acertar» a pasar por Plutón, en sí mismo un blanco móvil, sino también de saber exactamente cuándo empezar a fotografiar. Y para eso los redondeos con los que he comenzado este artículo no sirven. El mismo Plutón tiene un diámetro de 2.732 km. Tres minutos y quince segundos de navegación. Y no podemos dejar que la nave «vaya mirando» y nos diga cuándo es el mejor momento; a cuatro horas y veintiséis minutos-luz de la Tierra cualquier comunicación tardaría, suponiendo que no nos pensamos mucho la respuesta, casi nueve horas. Algo menos de medio millón de kilómetros. La diferencia entre obtener fotografías de fascinantes y misteriosos detalles de la geología plutoniana y una foto borrosa del disco completo de Plutón. La diferencia entre un éxito y un fracaso.

Saber exactamente dónde está una nave interplanetaria es un problema de primer orden. La posición exacta de los propios planetas ya es una cuestión compleja, pero esta empezó a ser resuelta en el siglo XVII por Kepler, que obtuvo suficientes datos como para deducir correctamente sus leyes del movimiento planetario. Tombaugh, quien descubrió Plutón en 1930, sabía ya mucho más acerca de su posición gracias a las nuevas técnicas de astrofotografía; estos datos no han hecho más que ser refinados con el tiempo y un número creciente de observaciones. Pero (siempre hay un pero) los planetas se ven. Las naves que lanzamos no. Observar la New Horizons desde casa con un telescopio es una misión imposible. ¿Qué nos queda para ubicarla con la precisión necesaria en el espacio y hacer que sus fotografías muestren la superficie de Plutón (y, como bola extra, la de Caronte) en toda su extraña gloria helada?

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Plutón mostrando su neblina atmosférica recortada contra la luz del Sol. (Fuente: NASA.)

La determinación de la posición y la distancia de una nave interplanetaria mediante técnicas de radio ha avanzado mucho desde que el gran Richard Feynman, dos días después del lanzamiento del Explorer 2, usara medidas de eco Doppler tomadas desde Cabo Cañaveral durante el lanzamiento —además de papel y lápiz— para determinar que el satélite perdido no estaba en órbita, sino en el fondo del mar. El superordenador (para la época) del Jet Propulsion Laboratory tardó unas horas más que Feynman en llegar al mismo resultado, pero Feynman ya se había ido para disfrutar de un buen fin de semana, quizá haciendo cálculos en las servilletas de un bar de topless cerca de su casa.

Hoy en día las antenas de la Red del Espacio Profundo (DSN) de la NASA miden rutinariamente la posición angular de cualquier nave interplanetaria en el cielo con una precisión de 0,002 segundos de arco. La posición de una nave permite determinar su trayectoria y, por tanto, las correcciones necesarias para hacer que «acierte» en una determinada diana —por ejemplo, sobrevolar Plutón a una distancia suficientemente pequeña como para maximizar la resolución de las fotos, pero lo bastante grande como para evitar sacar las fotos movidas teniendo en cuenta la intensidad de la iluminación solar disponible allí y la apertura focal de la cámara.

Sin embargo, la posición no nos dice por sí sola en qué momento exacto es necesario ordenarle a la New Horizons que tome sus fotos. Ya hemos visto que la distancia y la velocidad de la nave son cruciales. ¿Qué más podemos hacer para conocer el movimiento de la nave desde la Tierra?

Las técnicas de medición de distancia y velocidad (ranging, en inglés) utilizan un dato establecido con mucha precisión, la velocidad de la luz en el vacío, junto con el efecto Doppler, documentado desde mediados del siglo XIX, que permite determinar la componente del vector velocidad de una nave en dirección a la Tierra por el cambio que se produce en una onda de frecuencia conocida: ésta se reduce si la nave y la Tierra se están acercando, pero aumenta si se alejan. En su forma más simple, el ranging implica la emisión desde la Tierra hacia la nave de un tono de referencia con frecuencia conocida. La nave lo refleja de vuelta a la Tierra, y cuando se recibe de vuelta se toma nota de la diferencia de tiempos y de frecuencia para reconstruir la velocidad con la que la nave se aleja (o se acerca) y a qué distancia está.

Hasta aquí la física de la cuestión. Fórmulas sencillas, una calculadora (o si nos sentimos muy Feynman, papel y lápiz) y antes de que nos demos cuenta estaremos tomando el sol de vuelta en nuestra piscinita o playa preferidas —o tomando un refresco con burbujas en un bar de topless si buscamos la experiencia Feynman completa. Desgraciadamente, la ingeniería de la cuestión es mucho más complicada. Para empezar, ¿qué precisión debe tener una frecuencia para considerarse «conocida»? ¿La nave tiene una especie de espejo perfecto para reflejar nuestro tono de medida, o se trata de algo más complejo? ¿El dispositivo embarcado introduce errores por sí mismo? Y ¿qué tal se conservan nuestras señales a miles de millones de kilómetros de distancia?

(Continuará. Hic sunt ingeniarii.)


13 Comentarios

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Ontureño

Una entrada muy prometedora. Pero quería comentar que queda un poco deslucida por el corte final sin párrafo a modo de conclusión de esta parte de la entrada total. Queda totalmente anticlimático. Lo que es peor, no se entiende el título. Supongo que se entenderá a qué se refieren esos “diez puñeteros kilómetros” una vez se desarrollen las otras entradas. Pero así sin más, este fragmento de artículo está ahora mismo incompleto. Se puede hacer un artículo por entregas, pero cada una de ellas debería ser autoconsistente.

Jo, me ha quedado muy destroyer, pero sólo quería ser una crítica constructiva. Espero con interés el resto de entradas 😀

Iñaki Úcar

Un detalle. La New Horizons utiliza una técnica más avanzada de ranging: no se limita a reflejarla, sino que recibe la señal, la regenera y la vuelve a emitir, quitando un montón de ruido.

JavierJavier

Muy interesante. hace poco estuve mirando como funcionan los radares láser para medir la velocidad de los coches. Supongo que el funcionamiento será similar ¿no?

krollspellkrollspell

Los radares clásicos usan Doppler, pero los radares láser (mejor lidar, li- de light, no ra- de radio) no: a frecuencias ópticas es difícil (léase caro) detectar nada que no sea la amplitud de la señal, y para Doppler hace falta la frecuencia. En su lugar se emiten muchos pulsos y se mide el tiempo de ida y vuelta. De la diferencia de tiempos entre varios pulsos se calcula la velocidad.

EnriquePEnriqueP

Fantástico, educativo e hipnótico artículo, ya estoy esperando la segunda parte

Taliván HortográficoTaliván Hortográfico

Muy buena entrada, pero le han faltado diez puñeteros párrafos. 😉

AntonioAntonio

El avión tripulado mas rápido de la historia no es el Lockeed SR-71 si no el North American X-15

JoséJosé

Y hay datos que recoja la sonda sobre elementos que permitan inferir alguna actividad del clima o de la posibilidad de hallar vida? Eso si me interesa.

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