Muchos telescopios de próxima generación se transportan en globos. Esto es lo que depara la próxima década en astronomía con globos

El Grupo de Análisis del Programa de Globos de la NASA presentó recientemente una hoja de ruta a la NASA, guiándolos sobre cómo planificar y financiar futuros programas de astronomía con globos. Los globos se han utilizado durante más de un siglo para experimentos físicos, observaciones astronómicas y trabajos de observación de la Tierra, pero han permanecido relativamente desconocidos para el público en general. La astronomía con globos comparte muchas ventajas con los telescopios espaciales, pero a un costo pequeño.

El primer experimento científico moderno basado en globos fue en 1912, cuando un físico austriaco Victor Hess levantó 3 tentáculos eléctricos A una altitud de 5.300 metros (aunque los meteorólogos usaban globos para medir la temperatura del aire a diferentes altitudes desde finales del siglo XIX). Hess estaba tratando de demostrar que los minerales radiactivos de la Tierra emiten radiación de fondo, pero en cambio descubrió que los niveles de radiación ionizante en realidad aumentaban a grandes alturas. Este experimento, que descubrió las partículas de alta velocidad que ahora llamamos rayos cósmicos, y por el cual Hess recibió el Premio Nobel, marcó el comienzo del campo de la astrofísica de alta energía.

Astronomía con globos

Las modernas misiones de globos sirven a una amplia gama de campos científicos. rayos cósmicos Las observaciones son una valiosa fuente de datos para los experimentos de física de partículas. Las partículas de rayos cósmicos a menudo transportan energías mucho mayores que las que los científicos pueden lograr en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, por lo que estas misiones pueden recopilar datos valiosos al observar las colisiones entre los rayos cósmicos y las moléculas de aire en la atmósfera superior.

Pero los globos a menudo también realizan observaciones astronómicas más tradicionales. Los telescopios pequeños (apertura de menos de 1 metro) a menudo se elevan por encima de la atmósfera para estudiar exoplanetas. Pueden observar directamente los cinturones de polvo protoplanetario alrededor de las estrellas y descubrir nuevos exoplanetas utilizando el método de tránsito.

ANITA-4 antes del lanzamiento
Experiencia ANITA-IV en la Antártida, antes de su lanzamiento en globo. Credito de imagen: bateríaY el CC BY-SA 4.0.1 Actualizar

La gran altitud de los vuelos en globo significa que los telescopios infrarrojos (IR) se pueden colocar por encima del vapor de agua en nuestra atmósfera. Debido a que el vapor de agua absorbe la luz infrarroja con tanta eficacia, estos telescopios pueden realizar observaciones de alta resolución de estrellas extremadamente débiles que, de otro modo, serían imposibles desde la Tierra. De manera similar, los radiotelescopios que operan en el rango de terahercios (THz), que también está bloqueado por el vapor de agua en la atmósfera, pueden elevarse lo suficientemente alto como para estudiar el medio interestelar.

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Beneficios

Los globos pueden colocar instrumentos científicos y observatorios lo suficientemente altos como para tener muchos de los beneficios de los observatorios en el espacio, pero con algunos inconvenientes. La ventaja más obvia de los dirigibles sobre los satélites es el costo; El Telescopio Espacial James Webb (JWST) costó casi $ 9 mil millones, e incluso los proveedores de lanzamiento comerciales modernos, con sus cohetes reutilizables, todavía están fuera del alcance de los programas e institutos de investigación más pequeños. Los globos pueden transportar cargas útiles enormes y extremadamente pesadas hasta el borde del espacio y permanecer en el aire durante períodos prolongados, a una fracción del precio del lanzamiento de un cohete.

Debido a que estas misiones son baratas, pueden conllevar un nivel de riesgo mucho mayor. Esto no solo significa que los investigadores principiantes o universitarios pueden participar directamente en el desarrollo de las herramientas, sino también que el experimento puede ser más ambicioso; ¡Es mucho más fácil aceptar un experimento fallido si no cuesta demasiado!

Las misiones en globo también tienen una tasa de recuperación muy alta. Los satélites tienden a ser abandonados en el espacio o vuelven a entrar en la atmósfera. Por otro lado, las misiones de globos suelen estar equipadas con receptores GPS y transmiten telemetría continuamente, para que los propietarios sepan exactamente dónde encontrarlos y, finalmente, regresar a la Tierra.

Pruebas y desarrollo

Un efecto de las ventajas anteriores es que los globos se utilizan a menudo como banco de pruebas para nuevas técnicas y herramientas de observación. Muchos de los instrumentos enviados al espacio, tanto en observatorios en órbita como en sondas enviadas a otros planetas, se basan en diseños que se probaron primero en globos.

SatWest Communications lanza su carga útil de comunicaciones de la Tierra al espacio durante un vuelo de prueba en globo el 26 de septiembre de 2013. Un vuelo de cohete en noviembre tiene como objetivo llevar una carga útil similar al espacio. Crédito: Satwest Communications

Por ejemplo, los telescopios de centelleo de fibra óptica son instrumentos que se utilizan para detectar rayos cósmicos y se utilizan comúnmente en el espacio. Uno de ellos se utilizó en el espectrómetro de isótopos de rayos cósmicos (CRIS), que ha estado funcionando sin problemas en la nave espacial ACE durante los últimos 23 años. La última parte del telescopio de electrones CALorimétrico (CALET), que ha estado operando en la Estación Espacial Internacional (ISS) desde 2015. Estos instrumentos se usaron por primera vez con experimentos de rayos cósmicos en globos y, por lo tanto, se beneficiaron de años de desarrollo y pruebas antes de su lanzamiento. lanzamiento al espacio.

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Del mismo modo, la carga útil de antimateria y astrofísica de exploración nuclear ligera (PAMELA) y el espectrómetro magnético alfa II (AMS02) de la Estación Espacial Internacional se basan en instrumentación diseñada originalmente para las grandes altitudes en el espacio cercano donde operan las aeronaves.

Requerimientos de diseño

Los globos utilizados en la astronomía con globos tienen tres requisitos básicos de diseño: deben poder flotar a altitudes muy altas, deben poder levantar cargas útiles pesadas y deben poder volar durante mucho tiempo antes de regresar a la Tierra.

Los globos de helio solo se llenan parcialmente en el lanzamiento. A medida que aumenta y la presión atmosférica disminuye, el helio dentro del globo se expande de modo que solo se infla por completo cuando alcanza la altitud de trabajo y no detona a medida que asciende. Sin embargo, esta situación no es estable. Con el cambio de temperatura y presión locales, el gas dentro del globo se expandirá y contraerá, haciendo que el globo suba o baje a diferentes alturas, o incluso que explote. Para gestionar esto, la NASA utiliza dos diseños diferentes.

Los globos de presión cero (ZPB) llevan un suministro de lastre o helio y pueden controlar su altitud según sea necesario. Si el globo ZPS comienza a subir demasiado alto, suelta un poco de gas, desinflando un poco el globo, y si comienza a caer, puede volver a inflar el globo o dejar caer el lastre. Esta es una forma muy efectiva de mantener una altitud estable, pero limita la vida de la misión: cuando se acaba el gas o el lastre, ya no puede mantener la altitud y debe descender.

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Los globos de superpresión (SPB) están hechos de materiales mucho más fuertes: no se expanden, por lo que el volumen de gas no cambia durante el vuelo. Esto requiere que el gas dentro del globo esté a una presión más alta que la atmósfera circundante en todo momento, de ahí el nombre. Los SPB están diseñados para mantener una altitud relativamente constante durante el ciclo día-noche, sin tener que llevar consumibles, lo que les permite volar misiones durante periodos muy largos.

Los ZPB pueden volar hasta 8 semanas durante el verano antártico, pero generalmente solo manejan vuelos de menos de unos pocos días. Pueden levantar cargas útiles de hasta 4 toneladas en la estratosfera baja, pero menos de una tonelada en la estratosfera alta. Los SPB, por el contrario, pueden manejar vuelos de hasta 100 días, pero no pueden volar tan alto como los ZPB, ni manejar cargas útiles tan pesadas.

Para leer el informe completo, visite https://arxiv.org/abs/2210.01198

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