Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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Philae y ¿cómo aterrizar en un cometa?

El 12 de noviembre, el aterrizador Philae de la sonda Rosetta se separará de ésta para aterrizar, por primera vez en la historia, sobre un cometa, el 67P/Churyumov-Gerasimenko. ¿Cómo se llevará a cabo este aterrizaje? y ¿por qué se trata de una operación muy compleja? 

El 6 de agosto de este año, la sonda Rosetta de la Agencia Espacial Europea (ESA), después de algo más de 10 años de vuelo y de recorrer una distancia acumulada de casi 6.500 millones de km, arribó a las inmediaciones del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, comúnmente conocido como 67P. Este cometa fue descubierto accidentalmente en 1969 por los astrónomos ucranianos Klim Churyumov y Svetlana Gerasimenko, curiosamente mientras estudiaban el cometa 32P/Comas-Solà, descubierto a su vez por el astrónomo español Josep Comas i Solà en 1926.

El cometa 67P se encuentra en la actualidad a algo más de 500 millones de km de la Tierra (como referencia, la distancia de la Tierra al Sol es de unos 150 millones de km) y viaja a casi 18 km/s (64.800 km/h), posee una masa estimada de 1013 kg (aproximadamente el 1% de la masa del Everest) y rota sobre sí mismo con un período de unas 12 horas. La nave Rosetta ya consiguió algo formidable en su día al lograr situarse en una órbita de unas decenas de kilómetros de altitud alrededor del cometa en un primer lugar; sin embargo, el pequeño aterrizador, llamado Philae, que la sonda Rosetta transporta, se separará de su nave nodriza el 12 de noviembre para intentar algo nunca hecho hasta ahora en la historia: posarse en el cometa.

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Dimensiones del cometa 67P, según fueron medidas por el instrumento OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) de Rosetta. Las imágenes del cometa fueron tomadas por la cámara de navegación de Rosetta el 19 de agosto. Crédito: Imagen: ESA/Rosetta/NAVCAM; Dimensiones: ESA/Rosetta/MPS por el equipo de OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

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Características del cometa 67P. Crédito: ESA/ATG medialab.

El aterrizaje suave sobre el cometa 67P no sólo supone un desafío por ser la primera vez en la historia que se intenta sino porque aterrizar en núcleos cometarios es realmente una tarea muy compleja por varias razones. Una de ellas tiene que ver con la baja masa de estos cuerpos. La aceleración de la gravedad en 67P es varios centenares de miles de veces menor que la aceleración de la gravedad en la Tierra. Esto representa un problema ya que, a pesar de que el aterrizador poseerá una velocidad de descenso muy baja en el momento del impacto con la superficie, la posibilidad de rebotar sobre ella y escapar al espacio constituye un riesgo muy elevado. Otra dificultad viene dada por la gran incertidumbre que hay en relación a las propiedades de las superficies de estos cuerpos. Los cometas y asteroides poseen superficies con un rango muy amplio de características (fragilidad, dureza del terreno, grado de presencia de regolito, presencia de hielo, etc.), y pueden ser muy distintas de unos cuerpos a otros y de unas zonas a otras en un mismo cuerpo. La dinámica de Philae en el momento del impacto con el terreno depende en gran medida de la resistencia y compresibilidad de la superficie. Una superficie muy poco resistente hará que el aterrizador se hunda en algún grado mientras que una superficie muy dura implicará que Philae rebote, con la posible consecuencia añadida de que gire sobre sí mismo después del rebote de forma incontrolada. Así pues, el diseño del sistema de aterrizaje de Philae debe poder responder a un amplio abanico de posibilidades y poseer un robusto sistema de anclaje con el terreno. Por otra parte, los cometas y asteroides poseen superficies extremadamente irregulares; pero el diseño de un aterrizador no puede tolerar necesariamente cualquier inclinación del terreno. La inclinación máxima tolerable para Philae es de 30 grados. Estos cuerpos tampoco son esféricos y su distribución y densidad interna de masa no es necesariamente homogénea por lo que su campo gravitatorio, por pequeño que sea, tampoco lo es. Los cometas y asteroides también se encuentran rotando de forma aleatoria y conocer la manera en que giran es crucial para diseñar el descenso. Además, los cometas como el 67P, a pesar de no poseer atmósfera, emiten chorros de gas debido a la sublimación de sus compuestos volátiles helados que también arrastran partículas de polvo del terreno, lo que hace que en el diseño de los aterrizadores se deba considerar los posibles efectos dinámicos y de frenado debidos a su interacción con dichos chorros durante el descenso.

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Chorros de gas y polvo en el cometa 67P. Imagen tomada el 10 de septiembre por el instrumento OSIRIS a bordo de Rosetta. Crédito: ESA/Rosetta/MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/ INTA/UPM/DASP/IDA.

Las características específicas del cometa de destino no se pueden conocer hasta que se haya llegado a él por lo que el diseño del aterrizador debe poder adecuarse a una amplísima gama de posibilidades. Una vez que Rosetta llegó al cometa, se dispuso a analizar todas estas propiedades además de la geografía del terreno (presencia de grietas, rocas, acantilados, etc.) y de la distribución de chorros de gas y polvo de cara a seleccionar el punto de aterrizaje más adecuado para Philae. A parte de tener en cuenta todo esto, a la hora de elegir el lugar de aterrizaje, hay que considerar el interés científico pero también hay que pensar en aspectos como las propiedades térmicas de la superficie para que la protección térmica del aterrizador sea efectiva, las condiciones de luminosidad, de cara a que los paneles solares de Philae se mantengan iluminados la mayor parte posible de tiempo cuando esté en la superficie, y de visibilidad con Rosetta, de cara a poder mantener unas comunicaciones óptimas que permitan que los datos recogidos por los instrumentos científicos puedan ser transmitidos a Rosetta y de ella a la Tierra. Teniendo todos estos factores en cuenta, el lugar primario seleccionado de aterrizaje para Rosetta ha sido denominado lugar J (recientemente bautizado con el nombre de ‘Agilkia’) y se puede ver en la imagen siguiente.

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Inicialmente se identificaron cinco lugares candidatos para Philae de los que finalmente el lugar J (Agilkia) fue seleccionado. El lugar C fue elegido como lugar de aterrizaje secundario. Credito: ESA/Rosetta/MPS para el equipo de OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA. Procesado: Marco Di Lorenzo/Ken Kremer.

Como se ve, el diseño de un aterrizaje sobre un núcleo cometario no es una tarea fácil. ¿Cómo será el descenso y aterrizaje de Philae? El aterrizador Philae, de unos 98 kg, de los cuales 27 kg son instrumentos científicos, está inicialmente unido a Rosetta mediante un mecanismo que incluye un dispositivo capaz de imprimir a Philae una velocidad ajustable de separación de entre 5 y 52 cm/s, además de otro mecanismo de emergencia para ser usado si el anterior no funciona, y que permitiría la separación de Philae a la velocidad específica de 17 cm/s. El descenso a la superficie se iniciará a 22,5 km del centro del cometa, con una velocidad de separación retrógrada establecida en 18,7 cm/s, y durará unas 7 horas.

Antes de la separación, Rosetta ejecutará una serie de maniobras orbitales destinadas a conseguir que Philae siga un perfil de descenso específico después de la separación. En concreto, se pretende que la velocidad horizontal relativa de Philae con respecto a la superficie del cometa en el momento del aterrizaje sea cero; esto es, se pretende que la velocidad relativa de Philae con respecto al punto de aterrizaje tenga únicamente una componente vertical en el momento del aterrizaje para que el propio movimiento de la superficie del cometa no desestabilice al aterrizador en el momento de tocar la superficie. Este problema es equivalente al de saltar sobre una cinta corrediza; si saltas sobre ella sin más, la cinta, al moverse bajo tus pies en el momento del tocarla, puede hacer que pierdas el equilibrio al arrastrar tus pies en el sentido en el que se mueve, mientras que si saltas sobre la cinta con la misma velocidad horizontal que ella posee, la cinta no se moverá en relación a ti en el momento de tocarla con los pies. Este es el mismo efecto que se pretende conseguir con Philae: que su velocidad relativa al cometa en el momento del impacto contra el suelo sea únicamente vertical. Para conseguir esto es necesario, por una parte, conocer muy bien la manera en la que el cometa gira por debajo de Rosetta y Philae, y por otra, es necesario que el movimiento de Rosetta y la separación de Philae se den de forma muy precisa no sólo en términos de velocidad sino también en términos de la orientación de Philae en relación al lugar de aterrizaje. Philae no podrá cambiar su orientación en los tres ejes durante el descenso, por lo que la separación de Rosetta deberá darse de forma que Philae posea prácticamente la orientación relativa al cometa con la que se posará sobre él. Philae sólo posee la capacidad para estabilizar su orientación alrededor de su eje vertical gracias a una rueda o volante de inercia que posee en su interior alineada con ese eje. Gracias a este volante de inercia, después de desplegar sus patas y antenas, Philae girará 14 grados alrededor de su eje vertical para adquirir la orientación final de aterrizaje.

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Separación de Philae de Rosetta. La separación de Philae se da de forma retrógrada, contraria al sentido en el que viaja Rosetta y en el que avanza la superficie del cometa en su giro. Crédito: ESA/ATG medialab.

A partir de la separación, Philae descenderá de forma balística; esto es, no utilizará ningún sistema de propulsión ni ningún otro dispositivo para alterar su trayectoria. Philae posee un pequeño motor cohete de gas frío en su parte superior (cuyo fin veremos después) que podría usarse para acelerar ligeramente el descenso; sin embargo, su uso no está previsto. Al no corregir su descenso, la precisión en el aterrizaje será producto principalmente de la precisión con la que se den las condiciones orbitales y mecánicas en el momento de la separación. Teniendo en cuenta todos los errores y perturbaciones que se podrían dar, se estima que el máximo error en el aterrizaje para Philae podría ser de unos pocos cientos de metros, por lo que el área de aterrizaje que englobe esta distancia desde el punto de aterrizaje deseado debe estar desprovisto de grandes rocas o de pendientes mayores de 30 grados en la mayor medida posible.

La velocidad en el momento del aterrizaje será aproximadamente de 1 m/s. En el momento en que Philae toque la superficie, parte del impacto será absorbido por sus patas. Al contacto, una serie de operaciones tendrán lugar a la vez. Por una parte, cada extremo de cada pata de Philae cuenta con un tornillo que será atornillado al suelo según las suelas de cada pata sientan el contacto con la superficie. El atornillado a la superficie se ejecuta mediante un sistema de poleas y el dispositivo cuenta con un sistema de bloqueo que impide que el tornillo gire en la dirección contraria. Por otra parte, Philae disparará también dos arpones hacia el suelo al sentir el impacto para reforzar su anclaje a la superficie. El disparo de estos arpones, sin embargo, supone que se dé un retroceso en el cuerpo de Philae hacia a arriba, similar al retroceso que experimenta un tirador al disparar un arma de fuego. Para contrarrestar este efecto y para contribuir a la adhesión al terreno, un pequeño cohete de gas frío situado en la parte superior del aterrizador se encenderá empujando a Philae hacia la superficie. La actuación de todos estos sistemas propiciará la adhesión necesaria al terreno evitando el rebote de la sonda y su posible deslizamiento sobre la superficie.

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Secuencia en el proceso de anclaje de Philae a la superficie del cometa. 1, inicio de atornillado al contacto de cualquiera de sus patas; 2, empuje hacia el terreno gracias al motor cohete de gas frío situado en la parte superior del aterrizador; 3, disparo de dos arpones contra el terreno; 4, todas las patas acaban de atornillarse a la superficie. Crédito: ESA.

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Sistemas de anclaje de Philae: a, el extremo de cada pata del aterrizador cuenta con un tornillo que se atornilla al terreno en el instante que una de sus suelas sienta el impacto con la superficie; b, los dos arpones en la base de Philae; c, detalle de uno de los arpones. Crédito: a, MPS, Lindau–Katlenburg; b, Schtone; c, MPE, Garching.

Ciertamente, aterrizar en un cometa se diferencia mucho de los aterrizajes en cuerpos mayores como planetas o satélites. Una vez asegurado en la superficie, Philae podrá seguir haciendo historia mientras empieza a hacer ciencia desde el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Esperemos que la ESA tenga un gran éxito este 12 de noviembre.

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2 respuestas a: Philae y ¿cómo aterrizar en un cometa?

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