Sistema de apunte fino del Hubble (HST)

Viendo hace poco un documental de la BBC sobre los 30 años del Hubble, me pregunté como podía seguir funcionando de forma autónoma sin mantenimiento desde el año 2009 en el que le visitó el transbordador espacial Atlantis en su ultima misión. Me pregunté como conseguía moverse y apuntar hacia una zona concreta del firmamento, de donde sacaba la energía necesaria. No es que sea un secreto, simplemente no había parado a pensar en ello.

Seguramente todos hemos visto como para conseguir pequeño movimientos en el espacio, las naves, e incluso los astronautas, expulsan pequeños chorros de gas y debido al principio de conservación de la cantidad de movimiento (o tercer principio de la Dinámica, formas distintas de decir lo mismo) cuando (en ausencia de fuerzas exteriores) se lanza una masa en un sentido, la nave para compensar la cantidad de movimiento, se mueve en el sentido contrario (acción y reacción).

Pero el gas se acaba, habría que reponerlo. Y además ese gas podría contaminar tanto las imágenes como el interior del telescopio y sus instrumentos.

Luego parece evidente que no es este el sistema que utiliza el telescopio para apuntar a una determinada estrella o galaxia.

Para ello el Hubble primero tiene que saber cual es su posición. Por ello dispone de un sistema de orientación (Fine guide system)

Y esto lo consigue de varias formas. Tiene un sistema de detección magnética que le permite conocer su posición respecto del campo magnético terrestre (MSS). Otros sensores que le permiten conocer su posición respecto del sol (CSS) ya que no se puede permitir que el Sol incida en el interior del telescopio ya que al calentarlo podría desajustar y estropear los sensibles instrumentos de los que dispone. Incluso puede decidir cerrar la tapa delantera. Otro sistema que le permite reconocer determinadas estrellas fijas de posición conocida y guiarse por ellas (FGS) y otro que compara el mapa del cielo con los que tiene guardados en su ordenador para saber su posición en el espacio (FHST).

Y además, tres pares de giróscopos que le permiten conocer su posición absoluta y mantenerla estable (RSU). Varios de estos giróscopos ya fueron cambiados en 1999, e incluso en 2018 se reparó el sistema desde la Tierra procediendo a su reinicio.

Detengámonos un momento en los giróscopos.

Se basan en el principio de conservación del momento cinético o angular. Cuando un objeto (una masa) está girando respecto a un eje, si está aislado y no recibe fuerzas exteriores, su momento cinético no varía. El momento cinético depende tanto de la distancia de la masa al eje de giro como de la velocidad a la que gira. Por ello este principio tiene varias consecuencias.

Una es el efecto giroscópico, es decir, el eje respecto del que gira no puede variar. Es lo que le sucede al principio a una peonza hasta que pierde velocidad debido al rozamiento (no está aislada). Si no hubiera tal rozamiento seguiría girando indefinidamente y siempre respecto del mismo eje, como por ejemplo le sucede a la Tierra. También les pasa a las ruedas de las bicicletas o motos, al girar mantienen su eje de rotación por eso son estables en movimiento mientras las ruedas giran, pero en el momento en que se paran se vuelven inestables y hay que ayudarse echando un pie a tierra para no caerse.

Otro de los efectos es que al variar la distancia de la masa al eje, para compensar (mantener constante el momento cinético) varía la velocidad de giro. Les pasa a los patinadores cuando giran sobre si mismos, al acercar los brazos al eje (encogerlos) aumenta su velocidad y al separarlos disminuye. También a planetas y cometas en sus órbitas elípticas (1ª y 2ª leyes de Kepler), al acercarse al Sol (perihelio, distancia mas corta) aumenta su velocidad y al alejarse (afhelio, distancia mayor) disminuye.

Otro efecto es que si parte de la masa de un cuerpo comienza a girar en un sentido, para compensar el momento cinético, el resto de la masa girará en sentido contrario. Les ocurre a los helicópteros, si solo tuvieran una hélice girando, el resto del helicóptero giraría en sentido contrario para mantener el momento cinético. Para evitarlo hay varias posibilidades, el rotor de cola (hélice vertical que impide el giro), dos hélices horizontales instaladas sobre el mismo eje que giran en sentidos contrarios (así son alguno de los helicópteros de lucha contra incendios) o dos hélices horizontales en distintos ejes (uno delantero y otro trasero) que giran en sentidos contrarios (los grandes helicópteros de transporte). También habréis visto que en los actuales drones las hélices van siempre por parejas girando cada una en sentido contrario de la otra.

Por tanto el Hubble dispone de tres pares de giróscopos (peonzas) que mantienen su eje de giro constante respecto de los tres ejes del espacio. De esa manera el telescopio conoce su posición respecto de los mismos. Es un sistema muy experimentado, ya que tanto los aviones, como los misiles y los satélites disponen de giróscopos.

Una vez conocida su posición necesita moverse para apuntar a una determinada estrella, galaxia o nebulosa. A estos sistemas la NASA los llama «actuadores», es decir son los que hacen que el Hubble se mueva.

Y ello lo hace en parte, volviendo a utilizar el mismo principio de conservación del momento cinético o angular.

Para ello dispone de cuatro ruedas de las que suele utilizar tres (reaction wheels) que pueden girar respecto de los tres ejes del espacio. Si gira una de ellas, para compensar y conservar el momento angular, el telescopio girará en sentido contrario. De esa forma puede mover el telescopio de forma milimétrica hasta apuntar de forma certera hacia el lugar deseado y mantener su posición respecto de ese punto durante 24 h compensado la rotación alrededor de la Tierra utilizando los sistemas de guiado descritos anteriormente.

Pero, por otra parte, el viento solar en los paneles y el rozamiento con la parte alta de la atmósfera, ya que se encuentra a unos 540 km de superficie de la Tierra, hacen que necesite una ayuda adicional.

Para ello utiliza cuatro barras magnéticas o electroimanes (magnetic torquers) dirigidas en diferentes direcciones.

Una corriente eléctrica crea un campo magnético. Si la corriente rodea un núcleo de hierro el campo magnético se incrementa, es lo que conocemos como un electroimán. Si esa barra-electroimán está dentro de otro campo magnético mayor como es el terrestre, tenderá a orientarse paralelamente al mismo, es lo que les ocurre a las brújulas. Según la la barra-electroimán que activemos conseguiremos mover el telescopio en uno u otro sentido. De esta forma se consigue una fuerza adicional a la que proporcionan la ruedas de reacción.

En resumen, lo que mas me ha interesado es como se han aplicado leyes de la Física como la conservación del momento cinético o angular y el electromagnetismo para la fabricación y funcionamiento del Hubble. Es decir como se pueden aplicar y comprobar de forma experimental estos principios de la Física