José Juan López Moreno

Co-Investigador de OSIRIS y GIADA, instrumentos de Rosetta. Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC

El día 2 de marzo de 2004, desde el Puerto Espacial Europeo situado en la Guayana Francesa, se lanzó la Misión Europea interplanetaria más compleja llevada a cabo por la Agencia Espacial Europea. A bordo de un Ariane 5G+, la nave Rosetta partió hacia el cometa Churyumov-Gerasimenko siguiendo una complicada trayectoria interplanetaria que comprende 3 asistencias gravitacionales con la Tierra y una con Marte, 2 sobre-vuelos a sendos asteroides y, por fin, en el año 2014 tendrá lugar su encuentro con el cometa, al que acompañará a lo largo de 2 años.

La misión Rosetta, cuyo costo se aproxima a los 1.000 millones de euros, representa uno de los más importantes retos científico-tecnológicos que Europa se ha propuesto jamás. Su objetivo es el de estudiar los cuerpos más primitivos del sistema solar, los cometas y los asteroides, los cuales representan, en estado casi primitivo, los elementos de los que hace más de 4.500 millones de años se formó el sistema solar.

Al igual que la piedra Rosetta y el obelisco Philae sirvieron para descifrar las claves de la historia del antiguo Egipto, la misión Rosetta nos proporcionará las herramientas para entender los primeros pasos en la formación del sistema solar.

La misión Rosetta fue designada en 1993 como tercera «piedra angular» del Programa Científico de ESA cuyo fin era estudiar los cuerpos menores del Sistema Solar, en concreto los asteroides y cometas.

Rosetta, en sus inicios, fue definida como una misión destinada a tomar muestras de un cometa y traerlas a la Tierra para ser analizadas en laboratorios terrestres. Aquella misión se definió como una misión conjunta NASA-ESA. El abandono del proyecto por parte de NASA, responsable de las actividades tecnológicas relacionadas con el regreso a la Tierra de las muestras, obligó a una re-definición de la misión. La nueva misión Rosetta, llevada a cabo por la ESA y lanzada desde un cohete Ariane 5, quedó estructurada como una misión destinada a analizar el núcleo y coma de un cometa con técnicas de teledetección.

Paralelamente se abordará in situ, mediante una sonda que se posaría en él, el estudio del cometa. Será la primera vez que una nave espacial se posará en el núcleo de un cometa y también, la primera vez que se estudiará la evolución de un cometa desde una distancia superior a 3 unidades astronómicas (UA) (1 Unidad Astronómica = Distancia media entre La Tierra y el Sol a 150 millones de kilómetros) hasta su perihelio a 1 UA. Durante este largo viaje, Rosetta explorará la evolución del núcleo del cometa en un amplio rango de condiciones físicas.

En resumen, la misión Rosetta se diseñó para realizar, por primera vez, algunos hechos científicos bastante ambiciosos:

• Rosetta será el primer ingenio humano capaz de posarse en un cometa.
• Rosetta será el primer ingenio humano que orbitará el núcleo de un cometa.
• Rosetta será el primer ingenio humano que viaje junto a un cometa a la vez que este se acerca al sol, transmitiendo a la Tierra completa información científica en tiempo real.
• Rosetta, por primera vez, examinará desde las cercanías al núcleo de un cometa, cómo éste se transforma al calentarse según se acerca al sol.
• Rosetta será la primera misión que hará aterrizar en el núcleo de un cometa, un complejo conjunto de instrumentos para su estudio in situ.

El Lanzador

Una vez definida la misión, el lanzador óptimo para ella era un cohete Ariane 5, de fabricación europea, compuesto de tres fases principales:

1. La fase inicial la conforman dos cohetes laterales de 31,5 metros de altura que contienen cada uno de ellos 277 toneladas de combustible sólido. Estos cohetes proporcionan toda su energía en los primeros dos minutos tras el lanzamiento e inmediatamente después, se separan.
2. Etapa principal criogénica, de 31 metros de altura, contiene 158 toneladas de oxígeno e hidrógeno líquidos que alimentan al motor principal, Vulcano, durante diez minutos hasta que el cohete se encuentra a una altura de 173 kilómetros y moviéndose a una velocidad superior a 8 kilómetros por segundo. Tras su extinción, esta etapa criogénica se separa y cae a tierra.
3. Etapa superior. Consistente en un motor de combustible sólido llamado Aestus que contiene un total de casi 10 toneladas de combustible sólido y que es el responsable de colocar a Rosetta en su órbita final.

Ariane 5 se había diseñado para colocar satélites en órbita terrestre. La misión Rosetta exigía colocar un satélite en una órbita interplanetaria y eso exigía algunas modificaciones en el diseño del lanzador. La principal de ellas era el retraso en la ignición de la etapa superior. En los anteriores lanzamientos de Ariane 5, la ignición de la etapa superior ocurre de manera inmediata tras la separación de la etapa principal del lanzador. Sin embargo en el caso de la misión Rosetta, la separación de la etapa principal ocurre tras casi 10 minutos desde el lanzamiento. En esos momentos, la etapa superior se encuentra a unos 175 km de altura con una velocidad de 8 kilómetros por segundo entrando en una fase balística. Tras 1 hora y 45 minutos, después de haber dado algo más de una órbita a la Tierra, se inicia la ignición de la etapa superior que dura unos 17 minutos y termina dejando a Rosetta en su trayectoria interplanetaria, moviéndose a una velocidad superior a 10 kilómetros por segundo y situada a más de 1.000 kilómetros de altura. Dos minutos más tarde, Rosetta se separa de la etapa superior e inicia su largo periplo hacia el cometa Churyumov/Gerasimenko.

El cometa Churyumov/Gerasimenko

Es un cometa de corto periodo (6,5 años) de los llamados de la familia de Júpiter ya que su punto más alejado del sol (afelio) se encuentra en las proximidades de la órbita de Júpiter. Fue descubierto en 1969 por los astrónomos Klim Churyumov y Swetlana Gerasimenko, tiene un tamaño entre 3 y 5 km y rota sobre sí mismo con un periodo de unas 12 horas. Las no muy numerosas observaciones con las que se cuenta, muestran un cometa con una fuerte producción de polvo y que este polvo está compuesto por una gran cantidad de partículas de tamaño de hasta algunos centímetros y que se mantienen formando una cola que se extiende tanto por delante como por detrás del núcleo.

El satélite

Rosetta es un satélite de 3065 kg de masa, de los cuales 1670 son de combustible, 1130 de estructura, paneles solares y sistemas de navegación, 165 de instrumentos científicos y 100 kg correspondientes al aterrizador, de nombre Píale. Rosetta conforma un paralepípedo de 2.8×2.1×2.0 m y está dotado de 24 pequeños motores (3 en cada esquina orientados ortogonalmente entre ellos) que serán los responsables de realizar las maniobras de corrección de órbita, navegación y de aproximación al cometa. Estos motores están alimentados por combustible líquido (monometilhidracina y tetróxido de nitrógeno, presurizados por helio).

Los paneles solares

Por su trayectoria, Rosetta tendrá que viajar hasta alejarse a más de 800 millones de kilómetros del Sol. Esto implica que, en esas circunstancias, la radiación solar que llega es el equivalente al 3.5% de la que llega a la Tierra. La
alimentación de los sistemas de Rosetta necesitan un mínimo de 350 W. Este dato exige la una extensión de papeles solares superior a 56 metros cuadrados.

Rosetta va equipada con un sistema de paneles solares con una extensión de 64 metros cuadrados, conformado por 2 sistemas plegables de 16×2 m cada uno.

Rosetta es la primera misión espacial que viajará más allá del cinturón de asteroides y cuya energía se produce con paneles solares en lugar de con generadores radiactivos. Los paneles solares de Rosetta han representado un
gran desafío tecnológico ya que están diseñados para cubrir un amplio rango de irradiación solar, son capaces de producir 8.700 vatios en las fases iniciales y finales de la misión, cuando Rosetta se encuentre a unos 150 millones de kilómetros del Sol, y 400 vatios en las fases más lejanas de la misión.

La carga útil científica

Rosetta comprende 2 plataformas de instrumentación científica, el orbital que mantiene el nombre de Rosetta, en honor a la piedra del mismo nombre cuyas inscripciones en demótico, griego y lenguaje jeroglífico, permitieron a Champolion descifrar el lenguaje jeroglífico y, con ello, la interpretación de los textos históricos del antiguo Egipto. Junto al orbital, Rosetta porta un aterrizador, de nombre Phiae, en honor a la isla del mismo nombre en la que se
encontró un obelisco con los nombres de Cleopatra y Ptolomeo en caracteres jeroglíficos que ayudaron a Champolion a la interpretación de los textos contenidos en la p¡edra Rosetta.

El aterrizador Philae

Posee una masa de 100 kg y ha sido construido por un consorcio europeo liderado por el Instituto Alemán de Investigación Aeroespacial (DLR) y en el que se encuentran institutos de Austria, Finlandia, Francia, Hungría, Irlanda, Italia y el Reino Unido.

Consta de una estructura en forma de caja revestida de paneles solares. En ella se encuentran alojados los 10 instrumentos científicos que forman su carga científica junto con el sistema de comunicaciones con el orbital. En la siguiente tabla se encuentran relacionados cada uno de los instrumentos con una pequeña descripción de sus objetivos científicos.

Cuando, en mayo del 2014 Rosetta llegue a las proximidades del Churyumov- Gerasimenko, los motores de inserción actuarán hasta colocarse en las proximidades del cometa para, desde allí, estudiar con detalle la topografía del
núcleo con objeto de elegir el lugar para que Philae aterrice. Una vez elegido el lugar, Philae será suavemente empujado por un sistema de muelles que lo llevará hasta el núcleo del cometa. Tras el impacto, Philae clavará un arpón que se clavará en la superficie para evitar que rebote o se separe del núcleo ya que la atracción gravitatoria del cometa es muy pequeña.

Philae está diseñado para alcanzar todos sus objetivos científicos en una semana, sin embargo, al estar dotado de paneles solares, se espera que sus estudios in situ se prolonguen durante varios meses más.

El orbital Rosseta

Los 165 kg de carga científica del orbital se distribuyen en los 11 instrumentos científicos que se detallan en la tabla que sigue. Estos instrumentos han sido propuestos y fabricados por consorcios internacionales principalmente europeos con participación también de Estados Unidos.

En la siguiente tabla se describen los instrumentos que lo componen.

La trayectoria de Rosseta

A pesar de ser Ariane 5 el cohete europeo de mayor potencia, esta no es suficiente para colocar a Rosetta en la órbita del cometa. Para conseguirlo se utiliza la técnica de asistencia gravitacional. Esta técnica consiste en la realización de un sobrevuelo sobre un planeta (en este caso La Tierra y Marte) para adquirir velocidad.

En concreto,  Rosetta realizará 4 de estas asistencias gravitacionales, la primera sobre la Tierra en marzo del 2005, tras la que se dirigirá hacia Marte, planeta que sobrevolará en febrero del 2007 a una  distancia de 200 kilómetros. Después vuelve a la Tierra en noviembre del 2007 por segunda vez y, por último en noviembre del 2009 hará su tercer sobrevuelo sobre la Tierra y se dirigirá hacia el encuentro del cometa.

Visita a asteroides

Es su viaje hacia el cometa Churyumov/Gerasimenko, Rosetta aprovechará para estudiar dos asteroides. La primera visita la realizará al asteroide Steins el 5 de septiembre del 2008 entre los dos últimos sobrevuelos a la Tierra. Steins es un asteroide pequeño, de unos pocos kilómetros de diámetro. El sobrevuelo se efectuará a una velocidad relativamente baja (9 kilómetros por segundo) y a una distancia de unos 1.700 kilómetros.

El segundo asteroide que encontrará en su camino, Lutetia, tiene un diámetro superior a los 100 km y será sobrevolado el 10 de julio del 2010, cuando Rosetta realiza su trayecto final hacia el cometa. Rosetta pasará a una distancia de 300 kilómetros moviéndose a una velocidad de unos 15 kilómetros por segundo. Se aprovecharán estas dos ocasiones para conocer mejor la estructura, composición y dinámica de estos pequeños elementos del Sistema Solar.

Participación de España en la Misión Rosetta

Participación Industrial

La industria aeroespacial española ha participado de forma importante en el desarrollo de Rosetta, desde aportaciones al lanzador Ariane 5, como en el control térmico de Rosetta, el análisis de misión, dotación de componentes, etc.

En particular, las siguientes empresas españolas han aportado su saber y experiencia a la misión: SENER, GMV, Alcatel, GTD, Tecnológica, CASA y CRISA.

Participación científica

La participación en la instrumentación científica de España se ha centrado en dos de los instrumentos del orbital: OSIRIS y GIADA. OSIRIS ha sido desarrollado por un consorcio internacional liderado por el Max-Planck Institut für Aeronomie (Alemania) en el que se incluyen las distintas participaciones nacionales lideradas, en cada país, por los siguientes institutos: Laboratoire d’Astronomie Spatiale, Francia; Universita di Padova, Italia; Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), España; Astronomical Observatory, Suecia y ESTEC-ESA.

El consorcio español para OSIRIS ha estado formado, además del IAA-CSIC, por el INTA y el Instituto Ignacio da Riva de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

La participación en OSIRIS ha consistido en el desarrollo de las ruedas de filtros de las dos cámaras (INTA), los modelos térmicos y el análisis de elementos finitos (UPM) y la electrónica de control de mecanismos (IAA-CSIC). La realización industrial de los distintos componentes ha sido llevada a cabo con las empresas SENER, CASA y Tecnológica.

El instrumento GIADA ha sido desarrollado en su integridad por un consorcio formado por el Observatorio de Capodimonte-Universidad de Nápoles (OC-UN) y el IAA-CSIC. El OC-UN ha sido el responsable de aportar los sensores junto a su electrónica de proximidad mientras que el IAA-CSIC ha proporcionado la electrónica principal del instrumento. La componente industrial de la electrónica de GIADA ha sido llevada a cabo por SENER.

Además, de la participación en los dos instrumentos citados, el IAA-CSIC abrió, al inicio de los años 90, una línea de investigación sobre la física de los cometas con objeto de llevar en paralelo la participación en el desarrollo instrumental de Rosetta y la preparación para optimizar el retorno científico de la misión. En este sentido, se han desarrollado modelos termofísicos numéricos para considerar y cuantificar los efectos de la forma irregular y la topografía en los parámetros físicos de los núcleos cometarios heterogéneos. También se está instalando en el IAA-CSIC un laboratorio para el estudio de la interacción radiación-materia mediante el estudio de la dispersión y polarización de la luz al incidir en muestras de polvo que pueden representar análogos del polvo cometario.

Pies de figuras

Lanzamiento de Rosetta: la misión Rosetta despegando, el 2 de marzo de 2004 desde el Puerto Espacial Europeo de Kourou. Crédito: ESA

Churyumov, Fulle y el autor: de derecha a izquierda, Marco Fulle, Interdisciplinary Scientist de Rosetta, Klim Churyumov, descubridor del cometa objeto de la misión, y el autor de este artículo. Crédito: ESA

Rosetta se ven bien giada y Osiris: fotografía se Rosetta en la que se aprecian los instrumentos científicos. Crédito: ESA

Trayectoria Granadahoy: trayectoria interplanetaria de Rosetta.

Momentos clave:

1. Lanzamiento 2004-06-09
2. Primer sobrevuelo a la Tierra: 2005
3. Sobrevuelo a Marte: 2007
4. Segundo sobrevuelo a la Tierra: 2007
5. Sobrevuelo al asteroide Stein: 2008
6. Tercer sobrevuelo a la Tierra: 2009
7. Sobrevuelo asteroide Lutetia: 2010
8. Maniobra de ajuste a trayectoria del Cometa.

Crédito: Diario Granada Hoy.