Cuando piensa en conceptos de lanzamiento de nuevos espacios innovadores, es probable que piense en cohetes como la nave espacial de Spacex o el sistema de lanzamiento espacial de la NASA que transporta telescopios o exploradores robóticos en órbita y más allá. Y ciertamente, los cohetes están aquí para quedarse, restando la forma principal de llevar 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: globos.

Contenido

  • Arriba, arriba y lejos
  • Un nuevo tipo de globo
  • Un telescopio lofted por un globo
  • Cómo volar un telescopio atado a un globo.

dinámica con los globos reflexión
* Superbit y más allá

Los globos llenos de aire caliente o gas han sido loftados en los cielos durante siglos, con registros de los antiguos militares chinos que usan globos para la señalización desde el siglo II del siglo II, y el vuelo de globo con tripulación comenzando en Europa en la década de 1780. Y también se han utilizado en la investigación de la astronomía, como el proyecto Stargazer del proyecto de la década de 1960, que envió a dos hombres y un telescopio de 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 los globos de la NASA significan que una vez más prueban su valor para proyectos de astronomía de vanguardia, llevando telescopios de alta tecnología hasta la atmósfera desde donde pueden observar el cosmos. Hablamos con uno de los investigadores que trabajan en una nueva generación de telescopios con base de globos, Mohamed Shaaban de la Universidad de Toronto, para saber cómo se está poniendo esta vieja tecnología a un nuevo uso.

Arriba, arriba y lejos

Para entender por qué los globos tienen un gran potencial de uso en las misiones del telescopio, debe comprender por qué enviamos telescopios a órbita para comenzar. Si bien hay muchos telescopios ubicados en el terreno, haciendo un trabajo de libra esterlina, 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 difumina imágenes tomadas por telescopios a tierra. Es por eso que los telescopios se colocan a menudo en lugares muy secos y a 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 lo que por lo que los telescopios como Hubble se ponen en órbita.

Tradicionalmente, si quieres poner un telescopio por encima de la atmósfera, entonces lo envías a órbita en un cohete. Eso es caro y no es fácil de hacer, y es enormemente caro para 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 con el uso de globos para telescopios antes de 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 los paneles solares, lo que solo puede operar durante las horas de luz del día, y la Antártida tiene una luz del día las 24 horas durante su verano. Pero eso significa que está limitado al tipo de investigación que se puede hacer durante el día, lo que no es ideal para los telescopios.

Pero los globos recién desarrollados de la NASA, llamados globos de súper presión, pueden operar en la región de la Latitud media de la Tierra y trabajar durante los ciclos de día y nocturnos. «Por primera vez, podremos hacer ciencias nocturnas [con globos]», dice Shaaban, que abre la puerta a permitir una amplia gama de proyectos de astronomía.

un nuevo tipo de globo

Hay grandes ventajas a los globos como un método para transportar telescopios. En primer lugar, el lanzamiento de un globo es tremendamente más barato que el lanzamiento de un cohete. Además, puede traer fácilmente un telescopio de regreso a la Tierra y luego relanzarlo, por lo que si tiene que realizar algún mantenimiento, entonces es relativamente fácil. Eso es un gran problema cuando considera lo difícil y complejo, fue realizar el mantenimiento en el telescopio HUBBLE cuando experimentó problemas de hardware poco después de su lanzamiento en 1990.

«Con globos, la belleza de ella es que tienes lanzamientos recuperables», dijo Shabaan. «Así que lanza el sistema varias veces. Así que pones algo juntos, y no tiene que trabajar la primera vez, porque lo lanzará por una sola noche para probarlo, luego derribarlo y reiterarlo. Por lo tanto, no necesita la estructura de prueba muy agresiva que necesita para orbital [misiones] «.

Es esta prueba compleja que impulsa el precio de las misiones orbitales. Asegurarse de que cada pieza de hardware funcione de la puerta, que todo tenga múltiples despidos, y todos estos redundancias funcionan también, esto es lo que puede enviar los presupuestos para los proyectos espaciales.

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

Los globos tradicionales, llamados globos de presión cero, trabajan al ventilar el gas cuando sale el sol y hace que el gas se expanda. Cuando el sol se pone, los contratos de gas y el globo se bajan también. Los nuevos globos de súper presión trabajan manteniendo el gas contenido, incluso cuando se expande. Debido a que no se ventila, el globo puede permanecer en alto cuando el sol se pone, permitiéndolo continuar trabajando por la noche durante meses. Se espera que el globo super-presión de la NASA dure entre 30 y 100 noches de operación, en comparación con los pocos días que fueron posibles anteriormente.

un telescopio lofted por un globo

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

El problema de mantener el telescopio apuntado en una dirección es crucial para observaciones precisas, y es algo de lo que Superbit tiene un enfoque único para. El telescopio se sienta en un marco exterior, un marco medio y un marco interno, cada uno de los cuales se mueve sobre un eje diferente: la guiñada, el tono y la rueda. En combinación, estos permiten que el telescopio apunte en cualquier lugar del cielo. «Eso significa que si experimento algún movimiento, puedo deshacerlo al moverme en cualquiera de esas tres direcciones», explicó Shaaban.

Esto proporciona un nivel básico de estabilidad, pero para 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 ingresa al telescopio y parece estar temblando debido a los movimientos muy leves del telescopio, el espejo se ajusta para ese movimiento para que llegue a los sensores. Los movimientos que el espejo debe realizar se calculan utilizando datos de sensores en todo el telescopio, por lo que el telescopio puede estabilizarse completamente de manera totalmente autónoma.

Y esas correcciones para pequeños movimientos no están hechos usando propulsores, lo que requeriría combustible. En su lugar, se hacen aprovechando el tamaño del propio globo, Shaaban explicó: «La forma en que funciona la forma en que funciona la forma en que se sentirá a estos movimientos y tendrá motores que se torque contra el globo para deshacer estos movimientos, lo que significa que es básicamente Tomando el impulso y tirándolo al globo. Pero el globo es tan grande, es como verter una taza de agua en el océano. El nivel del océano no se elevará «. Los motores se ejecutan en electricidad, que provienen de baterías, que se cargan de paneles solares, por lo que no hay combustible para preocuparse.

El resultado de todo esto es un globo que puede bloquearse en una dirección en el cielo para observar con un alto nivel de precisión. «Le dices a Superbit que apunta y apunta», dijo Shaaban. «Se verá una cosa y lo rastreará. Se asegurará de que, desde la perspectiva de la cámara, esa cosa no se mueva más de 20 miliarcsecundos «, explicó. Esto hace que Superbit sea el primer telescopio no espacial para ser una difracción-limitada, ya que tanto por encima de la atmósfera como la cantidad de jitter en las lecturas es esencialmente cero, lo que lo convierte en una herramienta científica poderosa.

Cómo volar un telescopio atado a un globo

Así que así es como apuntas a un telescopio de un globo. Pero, ¿qué hay de mover el globo en sí? Cuando se trata de globos, conseguirlos exactamente donde quiere que sean un desafío. «Es difícil manejar exactamente, pero es relativamente fácil de Kind of Steer», explicó Shaaban. Esto se debe a que puede hacer uso de los modelos climáticos para encontrar vientos que soplen en la dirección en la que desea ir y pasar a esas corrientes ajustando la altitud. Esto le permite mover un globo en aproximadamente la dirección a la que necesitas para ir.

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

El globo se dirige hasta una altitud de entre 35 y 40 kilómetros (20 a 25 millas), en una región de la atmósfera llamada Stratosfera. Para referencia, eso está arriba donde los aviones vuelan, pero debajo de donde los satélites como las constelaciones de StarLink Spacex se sientan en una órbita de tierra muy baja. Eso es lo suficientemente alto como para ver la curvatura del planeta, pero no tan alto que ves a toda la Tierra. No es la más atractiva de ambientes, hace frío, entre -30 y -40 ° C (-22 a -40 ° F), pero no tan frío como el espacio orbital. Y también hay radiación problemática, aunque nuevamente no tan mala como en la órbita. Entonces, las consideraciones de ingeniería no están diferentes a diseñar para misiones orbitales, Shaaban dijo: «Es un espacio pero diferente cuando se trata de los desafíos que enfrentamos».

Hay otro desafío que surge de los telescopios que son recuperables: si desea recuperar una carga de globos y reutilizarla, no querrá que su telescopio se vaya en algún lugar que sea difícil de acceso. Durante los vuelos de prueba de Superbit, el equipo eligió cuidadosamente su base de operaciones, lanzando fuera de Palestina, Texas o Timmins, Ontario, ambos rodeados de grandes áreas de tierra que no están copuladas, sino fácil de recuperar el telescopio.

En cuanto a aterrizar un globo, puede ser un paseo lleno de baches. «Literalmente popamos el globo», dijo Shaaban. «El globo sale, y luego tiras un paracaídas. Es como una misión de paracaidismo «. Para amortiguar el golpe de aterrizaje al probar el hardware de Superbit, el equipo agregó almohadillas de choque al telescopio para absorber algo del impulso. A veces tuvieron suerte, y el telescopio aterrizó de su dramático descenso relativamente ileso. Pero otras veces, el hardware se golpeó seriamente en el aterrizaje.

Sin embargo, incluso un telescopio seriamente dañado no es el fin del mundo, ya que la fijación, aún es más barata que construir un nuevo telescopio desde cero. «La remodelación de una misión destruido en el aterrizaje es significativamente más barata que la prueba, por lo que funcionaría la primera vez», explicó.

Si hay un mensaje general para quitarlo, es el hecho de probar el hardware del espacio para los grados de precisión necesarios cuando se enfrenta a condiciones potencialmente desconocidas y extremas, es realmente caro. Existe una gran ventaja para cualquier método que le permita iniciar misiones e ingresar a medida que surjan problemas, en lugar de enfrentar la tarea imposible de tratar de predecir y permitir cualquier problema posible.

«Es realmente, en realidad, _Really, difícil de simular los entornos [espacio] a un bajo costo», enfatizó Shaaban. «Pero resulta ser barato y fácil de ir a estos entornos, cuando se trata de globos».

Superbit y más allá

Superbit ya ha sido a través de varios vuelos de prueba y se está preparando para los vuelos de la ciencia, que lamentablemente fueron retrasados por la pandemia. Pero este telescopio es solo el comienzo: el enfoque real del proyecto está en su sucesor, titulado tentativamente Gigabit.

«Superbit es un experimento de Pathfinder», dijo Shaaban. El objetivo a largo plazo de la investigación es crear el telescopio de resolución más alto que se puede volar en un globo de súper presión, para satisfacer la demanda de los astrónomos para imágenes de alta resolución a través de longitudes de onda de luz visible y ultravioleta a un costo mucho menor..

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

Si una serie de globos pudieran llevar telescopios de alta resolución como esta, y ser lanzados regularmente y aterrizar según sea necesario, sería una ayuda invaluable para los astrónomos al mundo.

Eso no quiere decir que están buscando a los telescopios como Hubble Obsoleto, Shaaban dijo: «Hubble tiene una resolución significativamente mayor que la superbit, pero también un campo de visión significativamente más pequeño. Así que no es ni mejor ni peor, es diferente. Tiene un conjunto completamente diferente de preguntas científicas que puede abordar «.

Con todo el potencial de los telescopios con base de globos, puede esperar que sus defensores los promuevan como superiores a los telescopios espaciales como Hubble. Pero eso no es en absoluto en todo caso con Shaaban, en su lugar, enfatizó el potencial de colaboraciones entre los instrumentos basados en el balón, y se basaron en el espacio.

Obtenga los telescopios con base de globos del suelo significa que se puede hacer más investigación, y que beneficia a todos en la comunidad astronómica. «La belleza de la astronomía», dijo Shaaban, «, además de ser un esfuerzo tan fenomenal y humillante, es que es increíblemente colaborativo».