Los telescopios en globos podrían cambiar las reglas del juego para la astronomía

Cuando piensa en nuevos conceptos innovadores de lanzamiento espacial, es probable que piense en cohetes como Starship de SpaceX o el Sistema de lanzamiento espacial de la NASA que llevan telescopios o exploradores robóticos a la órbita y más allá. Y ciertamente, los cohetes llegaron para quedarse, siendo la principal forma de transportar cosas más allá de la gravedad de la Tierra. Sin embargo, una opción alternativa y más barata podría provenir de una forma de tecnología mucho más antigua: los globos.

Los globos llenos de aire caliente o gas se han elevado a los cielos durante siglos, con registros del antiguo ejército chino usando globos para señalar desde el siglo III d.C. , y el vuelo en globo tripulado comenzó en Europa en la década de 1780 . Y también se han utilizado en la investigación astronómica, como el Proyecto Stargazer de los EE. UU. de la década de 1960, que envió a dos hombres y un telescopio a 82,000 pies (25 kilómetros) en el aire en un globo de gran altitud para observar las estrellas.

Ahora, los desarrollos recientes en la tecnología de globos de la NASA significan que los globos pueden volver a demostrar su valía para proyectos de astronomía de vanguardia, llevando telescopios de alta tecnología a la atmósfera desde donde pueden observar el cosmos. Hablamos con uno de los investigadores que trabajan en una nueva generación de telescopios basados ​​en globos, Mohamed Shaaban de la Universidad de Toronto, para saber cómo se está dando un nuevo uso a esta vieja tecnología.

Arriba, arriba y lejos

Para comprender por qué los globos tienen un potencial tan grande para su uso en misiones de telescopios, primero debe comprender por qué enviamos telescopios a la órbita. Si bien hay muchos telescopios ubicados en el suelo que realizan un trabajo excelente, si desea observar objetos realmente distantes, debe tener en cuenta los problemas causados ​​​​por la atmósfera de la Tierra.

El gran problema es el vapor de agua en la atmósfera, que desdibuja las imágenes tomadas por telescopios terrestres. Es por eso que los telescopios a menudo se colocan en lugares muy secos ya altitudes muy altas, como Mauna Kea en Hawai'i o el desierto de Atacama en Chile. Pero la mejor solución es mirar objetos distantes desde arriba de la atmósfera, por eso se ponen en órbita telescopios como el Hubble.

Tradicionalmente, si desea colocar un telescopio sobre la atmósfera, lo envía a la órbita en un cohete. Eso es costoso y no es fácil de hacer, y es enormemente costoso solucionar cualquier problema que ocurra y requiera reemplazo de hardware, pero es un método altamente confiable para evitar la atmósfera de la Tierra.

Los globos, por otro lado, se han utilizado en la investigación científica durante décadas, generalmente sobre la Antártida. El problema de usar globos para telescopios antes ahora ha sido una cuestión de luz. La mayoría de los globos científicos se lanzan en la Antártida porque el hardware de investigación generalmente funciona con paneles solares, que solo pueden funcionar durante el día, y la Antártida tiene luz las 24 horas durante el verano. Pero eso significa que está limitado al tipo de investigación que se puede realizar durante el día, lo que no es bueno para los telescopios.

Pero los globos recientemente desarrollados por la NASA, llamados globos de superpresión , pueden operar en la región de latitudes medias de la Tierra y funcionar durante los ciclos diurno y nocturno. “Por primera vez podremos hacer ciencia nocturna [con globos]”, dice Shaaban, lo que abre la puerta para permitir una amplia gama de proyectos de astronomía.

Un nuevo tipo de globo

Los globos tienen grandes ventajas como método para transportar telescopios. En primer lugar, lanzar un globo es tremendamente más económico que lanzar un cohete. Además, es muy fácil traer un telescopio a la Tierra y luego relanzarlo, por lo que si tiene que realizar algún mantenimiento, es relativamente fácil. Eso es un gran problema si se considera lo difícil y complejo que fue realizar el mantenimiento del telescopio Hubble cuando experimentó problemas de hardware poco después de su lanzamiento en 1990.

“Con los globos, la belleza es que tienes lanzamientos recuperables”, dijo Shabaan. “Así que inicias el sistema varias veces. Así que arma algo, y no tiene que funcionar la primera vez, porque lo lanzará durante una sola noche para probarlo, luego lo desactivará y lo reiterará. Por lo tanto, no necesita la estructura de prueba muy agresiva que necesita para [misiones] orbitales”.

Son estas complejas pruebas las que elevan el precio de las misiones orbitales. Asegurarse de que cada pieza de hardware funcione desde el principio, que todo tenga múltiples redundancias, y que todas estas redundancias también funcionen entre sí: esto es lo que puede hacer que los presupuestos para proyectos espaciales se disparen.

Con globos, es más fácil iterar y ajustar el diseño de hardware a medida que avanza. Y si envía un globo lo suficientemente alto en los bordes de la atmósfera, obtiene casi todas las ventajas de reducción de vapor de agua de estar en órbita.

Los globos tradicionales, llamados globos de presión cero, funcionan ventilando gas cuando sale el sol y hacen que el gas se expanda. Cuando el sol se pone, el gas se contrae y el globo también se hunde. Los nuevos globos de superpresión funcionan manteniendo el gas contenido, incluso cuando se expande. Debido a que no está ventilado, el globo puede permanecer en el aire cuando se pone el sol, lo que le permite continuar trabajando por la noche durante meses. Se espera que el globo de superpresión de la NASA dure entre 30 y 100 noches de operación, en comparación con los pocos días que eran posibles anteriormente.

Un telescopio elevado por un globo

Es esta nueva clase de globo de la NASA que Shabaan y sus colegas están utilizando en su proyecto de telescopio. Tienen un proyecto llamado SuperBIT que mantendrá un telescopio en el aire y apuntando en la dirección correcta utilizando un sofisticado software autónomo. Al detectar los pequeños movimientos del globo y compensarlos automáticamente, su telescopio puede observar las estrellas con un nivel de detalle sin precedentes para una misión basada en un globo.

El tema de mantener el telescopio apuntando en una dirección es crucial para obtener observaciones precisas, y es algo para lo que SuperBIT tiene un enfoque único. El telescopio se asienta en un marco exterior, un marco medio y un marco interior, cada uno de los cuales se mueve en un eje diferente: guiñada, cabeceo y balanceo. En combinación, estos permiten que el telescopio apunte a cualquier parte del cielo. “Eso significa que si experimento algún movimiento, puedo deshacerlo moviéndome en cualquiera de esas tres direcciones”, explicó Shaaban.

Esto proporciona un nivel básico de estabilidad, pero para obtener lecturas realmente precisas, debe ser aún más estable. Dentro del telescopio hay un espejo que puede moverse a una velocidad extremadamente rápida de 50 movimientos por segundo. Cuando la luz entra en el telescopio y parece estar temblando debido a los movimientos muy leves del telescopio, el espejo se ajusta a ese movimiento para que llegue al sensor sin sacudidas. Los movimientos que debe realizar el espejo se calculan utilizando datos de sensores en todo el telescopio, por lo que el telescopio puede estabilizarse de forma completamente autónoma.

Y esas correcciones para pequeños movimientos no se hacen usando propulsores, que requerirían combustible. En cambio, se fabrican aprovechando el tamaño del globo en sí, explicó Shaaban: "La forma en que funciona SuperBIT es que detectará estos movimientos y tendrá motores que giran contra el globo para deshacer estos movimientos, lo que significa que básicamente es tomando el impulso y arrojándolo hacia el globo. Pero el globo es tan grande que es como verter una taza de agua en el océano. El nivel del océano no subirá”. Los motores funcionan con electricidad, que proviene de baterías, que se cargan con paneles solares, por lo que no hay que preocuparse por el combustible.

El resultado de todo esto es un globo que puede fijar una dirección en el cielo para observar con un alto nivel de precisión. “Le dices a SuperBIT que señale y señala”, dijo Shaaban. “Mirará una cosa y la rastreará. Se asegurará de que, desde la perspectiva de la cámara, esa cosa no se mueva más de 20 milisegundos de arco”, explicó. Esto convierte a SuperBIT en el primer telescopio no espacial con difracción limitada, ya que se encuentra por encima de la atmósfera y la cantidad de fluctuación en las lecturas es esencialmente cero, lo que lo convierte en una poderosa herramienta científica.

Cómo volar un telescopio atado a un globo

Así es como apuntas un telescopio desde un globo. Pero, ¿qué hay de mover el globo en sí? Cuando se trata de globos, colocarlos exactamente donde quieres que estén puede ser un desafío. “Es difícil dirigir exactamente, pero es relativamente fácil de dirigir”, explicó Shaaban. Esto se debe a que puede utilizar modelos meteorológicos para encontrar vientos que soplan en la dirección en la que desea ir y moverse hacia esas corrientes ajustando la altitud. Esto le permite mover un globo aproximadamente en la dirección que necesita.

Sin embargo, la dirección se vuelve mucho más difícil cuando la carga que se transporta es muy pesada, como un telescopio. Pero, afortunadamente, la mayoría de las aplicaciones científicas en realidad no requieren que un globo esté en una posición particular en la Tierra: la altitud que alcanzan es mucho más importante. La única preocupación para este tipo de misiones es que los operadores deben evitar que el globo viaje sobre áreas pobladas por seguridad pública.

El globo se dirige a una altitud de entre 35 y 40 kilómetros (20 a 25 millas), en una región de la atmósfera llamada estratosfera. Como referencia, eso es por encima de donde vuelan los aviones, pero por debajo de donde los satélites como las constelaciones Starlink de SpaceX se sientan en una órbita terrestre muy baja. Eso es lo suficientemente alto para ver la curvatura del planeta , pero no tan alto como para ver toda la Tierra. No es el entorno más acogedor: hace frío, entre -30 y -40 °C (-22 y -40 °F), pero no tanto como el espacio orbital. Y allí también hay radiación problemática, aunque de nuevo no tan mala como en órbita. Entonces, las consideraciones de ingeniería no son diferentes al diseño para misiones orbitales, dijo Shaaban: "Es espacio pero diferente cuando se trata de los desafíos que enfrentamos".

Hay otro desafío que surge de que los telescopios sean recuperables: si desea recuperar una carga de globo y reutilizarla, no querrá que su telescopio se descargue en un lugar de difícil acceso. Durante los vuelos de prueba de SuperBIT, el equipo eligió cuidadosamente su base de operaciones, partiendo de Palestina, Texas o Timmins, Ontario, ambas rodeadas por grandes áreas de tierra que están despobladas pero de las que es fácil recuperar el telescopio.

En cuanto a aterrizar un globo, puede ser un viaje lleno de baches. “Literalmente explotamos el globo”, dijo Shaaban. “El globo revienta y luego arrojas un paracaídas. Es como una misión de paracaidismo”. Para amortiguar el golpe del aterrizaje al probar el hardware SuperBIT, el equipo agregó almohadillas de choque al telescopio para absorber parte del impulso. A veces tuvieron suerte, y el telescopio aterrizó relativamente ileso después de su dramático descenso. Pero otras veces, el hardware se golpeaba seriamente en el rellano.

Sin embargo, incluso un telescopio gravemente dañado no es el fin del mundo, ya que repararlo sigue siendo más barato que construir un nuevo telescopio desde cero. “Restaurar una misión destruida al aterrizar es significativamente más barato que probarla, por lo que funcionaría la primera vez”, explicó.

Si hay un mensaje general para sacar de esto, es que probar el hardware espacial con los grados de precisión necesarios cuando se enfrentan a condiciones potencialmente desconocidas y extremas es muy, muy costoso. Hay una gran ventaja en cualquier método que le permita lanzar misiones e iterar a medida que surjan problemas, en lugar de enfrentar la tarea imposible de intentar predecir y permitir cualquier posible problema.

“Es muy, muy, muy difícil simular entornos [espaciales] a bajo costo”, enfatizó Shaaban. “Pero resulta barato y fácil ir a estos entornos, cuando se trata de volar en globo”.

SuperBIT y más allá

SuperBIT ya ha pasado por varios vuelos de prueba y se está preparando para vuelos científicos, que lamentablemente se retrasaron por la pandemia. Pero este telescopio es solo el comienzo: el enfoque real del proyecto está en su sucesor, tentativamente titulado GigaBIT.

“SuperBIT es un experimento pionero”, dijo Shaaban. El objetivo a largo plazo de la investigación es crear el telescopio de mayor resolución que pueda volar en un globo de superpresión, para satisfacer la demanda de los astrónomos de imágenes de alta resolución a través de luz visible y longitudes de onda casi ultravioleta a un costo mucho menor. .

Eso es necesario porque los telescopios como el Hubble están extremadamente suscritos, lo que significa que muchos más proyectos quieren usarlos de los que posiblemente se les podría dar tiempo de observación. Entonces, el equipo está construyendo un telescopio más potente para satisfacer esta necesidad. El hardware básico será similar a SuperBIT, pero el telescopio será más grande para proporcionar imágenes de mayor resolución. Para mantener el peso mientras se agrega un telescopio más grande, dado que SuperBIT ya tiene la masa máxima que el globo puede transportar, GigaBIT utilizará diferentes materiales como fibra de carbono en lugar de aluminio.

Si una serie de globos pudiera transportar telescopios de alta resolución como este, y ser lanzados y aterrizados regularmente según sea necesario, sería una ayuda invaluable para los astrónomos de todo el mundo.

Eso no quiere decir que estén buscando hacer obsoletos los telescopios como el Hubble, dijo Shaaban: “El Hubble tiene una resolución significativamente más alta que SuperBIT, pero también un campo de visión significativamente más pequeño. Así que no es ni mejor ni peor, simplemente es diferente. Tiene un conjunto completamente diferente de preguntas científicas que puede abordar”.

Con todo el potencial de los telescopios basados ​​en globos, es de esperar que sus defensores los promocionen como superiores a los telescopios basados ​​en el espacio como el Hubble. Pero ese no es el caso con Shaaban; en cambio, enfatizó el potencial de colaboraciones entre instrumentos terrestres, basados ​​​​en globos y basados ​​​​en el espacio.

Hacer despegar telescopios basados ​​en globos significa que se pueden realizar más investigaciones y eso beneficia a todos en la comunidad astronómica. “La belleza de la astronomía”, dijo Shaaban, “además de ser un esfuerzo fenomenal y humilde, es que es increíblemente colaborativo”.