Creando instrumentos laser que ayuden a descubrir los misterios de Titan, la luna de Saturno

En Titán, la luna gigante de Saturno, llueven metano líquido y otros hidrocarburos, formando ríos, lagos y mares sobre un paisaje de agua helada. La compleja química de este satélite helado podría ser análoga al período en el que surgió la vida en la Tierra, o podría producir un tipo de vida completamente nuevo. E incluso más lejos, a años luz de distancia en el espacio profundo, un agujero negro destroza el núcleo ultradenso de una estrella muerta, deformando el tejido del propio espacio y enviando ondas de espacio-tiempo que se propagan a través del universo.

En el Space Laser Assembly Cleanroom (SLAC) en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, la División de Láser y Electroóptica está construyendo láseres para la misión Dragonfly de la NASA a Titán y la  Laser Interferometer Space Antenna  (LISA) de la Agencia Espacial Europea (ESA), que medirá ondas en el espacio-tiempo causadas por colisiones masivas.

La SLAC, en Goddard, es un centro experimentado en el arte y la ciencia de construir láseres para instrumentos avanzados para explorar entornos exóticos y extremos como los investigados por Dragonfly y LISA.

“Los láseres son difíciles, no “quieren” funcionar”, dice Barry Coyle, físico de NASA Goddard,

“Todo tiene que ser perfecto”, dijo Coyle.

Es por eso que ensamblarlos en un solo lugar es tan crítico para la eficiencia, tanto en producción como en costos. Esta es la idea del SLAC, y se concibió poco después del lanzamiento de ICESat-1. El ICESat-1 albergaba el sistema de altímetro láser de geociencia, que se produjo en una instalación conjunta de la Universidad de Maryland y Goddard. Aunque el láser funcionó bien, según Coyle, producir sistemas láser para vuelos espaciales fuera de la NASA podría ser costoso e ineficiente.

Coyle dijo que él y otros se dieron cuenta de que estos gastos podrían reducirse si los láseres se produjeran en un laboratorio interno. Además, se podría ahorrar tiempo y energía.

“Pamela Millar, jefa de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra, era la jefa de la rama de teledetección en ese momento y lideraba el trabajo para asegurar los fondos para el SLAC”, dijo Coyle. Desde entonces, el laboratorio ha estado produciendo láseres.

Actualmente, el equipo de Goddard está desarrollando un láser ultravioleta (UV) en el SLAC, el láser del espectrómetro de masas Dragonfly (DraMS), para la misión Dragonfly. La misión consta de un módulo de aterrizaje de helicóptero diseñado para realizar múltiples paradas en la superficie de Titán. El módulo de aterrizaje, diseñado y construido en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland, llevará un conjunto completo de instrumentos para estudiar muestras de materiales para obtener un mayor conocimiento de la composición de la superficie y otras propiedades de la luna.

Esta es la cámara de vacío térmico de SLAC que se utiliza para realizar pruebas ambientales en sistemas láser para vuelos espaciales. La misión ICESAT-2 y GEDI hizo uso de esta cámara para realizar pruebas de calificación y reducción de riesgos. Los láseres del espectrómetro de masas Dragonfly (DraMS) de vuelo e ingeniería, así como el modelo de ingeniería láser LISA, se probarán aquí.
Créditos: NASA/Matt Mullin.

El ingeniero láser de Goddard, Matt Mullin, está trabajando actualmente en el láser DraMS, su trabajo diario implica construir o alinear el hardware, construir el láser o ejecutar pruebas en subcomponentes.

“Básicamente, el rayo láser UV se enfocará hacia una copa de muestra, que contiene algunos de los materiales de la superficie de Titán. El rayo desorberá compuestos moleculares de la muestra y excitará iones (átomos y moléculas con una carga eléctrica neta) para ser captados en el espectrómetro de masas que los científicos pueden usar para detectar de qué se compone esa muestra”, dijo.

“El láser es emocionante porque está volando en una misión de New Frontiers”, dijo Mullin. El programa New Frontiers es una iniciativa de la NASA que tiene como objetivo financiar misiones que explorarán partes del sistema solar que se consideran de alta prioridad en la ciencia planetaria.

“Hemos enviado una sonda a Titán en el pasado, pero este instrumento y esta misión están destinados a resolver muchos de los misterios relacionados con esta luna, continuando una exploración anterior”, dijo Mullin. “Y ver si esta luna podría albergar alguna forma de vida sería muy interesante”.

Sin embargo, las temperaturas extremadamente frías y el metano en la atmósfera de Titán y en su superficie suponen un obstáculo.

“¿Cómo se consigue un láser allí y cómo se consigue que funcione allí?” Dijo Coyle. “Esos son los dos desafíos”.

Es fundamental que el instrumento sea lo más pequeño posible y que se minimice el peso y el consumo de energía. Además de eso, los láseres necesitan las condiciones perfectas para funcionar correctamente.

“Aprovechar fotones (partículas de luz) para hacer lo que quieres, es muy difícil”, dijo Coyle.

Sin SLAC, producir el láser implicaría mucho movimiento entre estructuras con equipos separados trabajando en él.

“Ayuda tener una ubicación central donde podemos hacer la unión óptica, el montaje de limpieza, toda la infraestructura aquí; es genial”, dijo Coyle.

Además de su trabajo en Dragonfly, en el laboratorio se construirán láseres diseñados por la NASA, como contribución a la misión LISA liderada por la ESA. LISA será el primer observatorio espacial de ondas espacio-temporales, llamadas ondas gravitacionales. La ESA busca probar la teoría de la gravedad de Einstein midiendo las ondas gravitacionales en el espacio, generadas por eventos extremadamente violentos como las colisiones de agujeros negros.

“El SLAC es un lugar perfecto para que construyamos los láseres LISA”, dijo Anthony Yu, líder de desarrollo de productos para el láser LISA. “Los láseres LISA tienen muchos requisitos estrictos y necesitamos instalar estaciones de prueba in situ, para verificar el rendimiento del láser durante el proceso de construcción. El SLAC nos permite configurar estaciones de prueba especializadas para probar el láser en tiempo real y también cuando se somete a pruebas de ciclos de vacío térmico después de ensamblarlo”.

Paul Stysley, director asociado de la rama de láser y electroóptica de Goddard, y director de desarrollo de productos para el láser DraMS, dijo que el corazón y el alma de SLAC está en la forma en que agiliza el desarrollo tecnológico y la producción de láseres.

“Lo que hace que el SLAC sea único es tener una ubicación centralizada para desarrollar, construir y probar sistemas láser de vuelos espaciales”, dijo Stysley. “Se cuenta con un flujo de productos y una infraestructura para desarrollar, probar ambientalmente y monitorear un diseño láser desde la cuna hasta la tumba, para una misión de vuelo espacial que conduzca a una reducción significativa de los riesgos y costos técnicos”.

Mullin dijo que trabajar en Dragonfly y con el equipo ha sido increíble.

“El verdadero placer y la parte emocionante ha sido trabajar con algunos de los mejores ingenieros y científicos del mundo en este proyecto”, dijo Mullin. “Recuerdo haber visto en el Discovery Channel sobre la exploración futura de lunas exteriores como Europa o Titán, pero nunca imaginé que estaría en uno de los equipos que ayudarían a explorarlo”.

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.