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12/11/2013

El lunes 11 de noviembre a la 01:00 tiempo central europeo el satélite europeo GOCE reentró en la atmósfera terrestre después de cuatro años de misión. GOCE ( Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer ) ha sido la primera misión de la agencia europea del espacio (ESA) dedicada a estudiar el campo gravitatorio terrestre. GOCE ha sido también la primera misión dedicada a la gradiometría gravitatoria, una técnica que consiste en la medida de las derivadas segundas del potencial gravitatorio. Anteriormente otros satélites han medido el campo gravitatorio terrestre, pero usando técnicas distintas.

image Satélite GOCE (ESA).

GOCE era un pequeño satélite de apenas 1100 kg de peso y 5, 3 metros de longitud, pero gracias a él ahora disponemos de un mapa del campo gravitatorio de la Tierra con una precisión de 1 mGal (una millonésima de la gravedad terrestre) y hemos podido determinar la forma del geoide terrestre (la superficie equipotencial que formaría un hipotético océano global sin mareas ni corrientes) con una precisión de 1-2 cm de altura. Podemos imaginar el geoide como la superficie imaginaria -sin continentes- en la que no habría flujo de agua de una zona a otra por diferencias del campo gravitatorio y es la referencia para el cálculo de la altura sobre el nivel del mar. Hasta ahora se han empleado varios sistemas de referencia de alturas basados en el nivel medio de los océanos, pero entre ellos existen discrepancias del orden de varios decímetros. Los resultados de GOCE permitirán unificar estos sistemas en el futuro. Todo el mundo sabe que la aceleración gravitatoria en la superficie terrestre es de unos 9, 8 ms ?2, pero son las pequeñas variaciones las que nos interesan a la hora de medir la forma del geoide. Si la Tierra fuese una esfera perfecta, el geoide también lo sería y g no variaría en absoluto. El abultamiento ecuatorial de nuestro planeta causa variaciones del orden de 0, 001 en el valor de g, mientras que el relieve (montañas y simas abisales) son responsables de variaciones del orden de 0, 0001 g. Otros efectos causan desviaciones locales aún menores.

image Forma del geoide terrestre según GOCE (ESA).

Mantener una altura constante era vital para la misión, un requisito que se veía obstaculizado por el continuo frenado que experimenta un satélite en órbita baja por culpa de las capas altas de la atmósfera. Para complicar las cosas, GOCE debía estar situado en una órbita lo más baja posible, ya que la atracción gravitatoria disminuye con la distancia. Como resultado, el satélite fue diseñado con una curiosa forma aerodinámica de tal forma que su superficie frontal fuese sólo de 1, 1 metros cuadrados para minimizar el rozamiento atmosférico. Además se dotó a la nave de dos motores iónicos que le permitiesen mantener una altura constante (el denominado modo de vuelo 'sin rozamiento'). Los motores iónicos, de tipo Kaufman, usaban xenón para generar un pequeño empuje de entre 1 y 20 milinewtons. El xenón estaba almacenado en un tanque con una capacidad de 40 litros, suficiente para unos treinta meses de misión. Si el motor dejaba de funcionar durante más de ocho días, la misión habría fracasado. Todas las superficies exteriores fueron tratadas para minimizar los efectos corrosivos del oxígeno atómico que se encuentra a esa altitud orbital. El sistema de control del satélite disponía de un 'simple' procesador ERC32 de 32 bits a una velocidad de 24 MHz.

imageimage Partes de GOCE (ESA).

image Uno de los motores iónicos de GOCE (ESA).

Para realizar su misión, GOCE medía las variaciones de su órbita polar de 255 kilómetros de altura mediante un gradiómetro y un receptor GPS. El gradiómetro de 180 kg, denominado EGG ( Electrostatic Gravity Gradiometer ), era el corazón del satélite y estaba formado por tres pares de acelerómetros perpendiculares entre sí separados por una distancia de 50 cm que estaban montados en una estructura excepcionalmente estable hecha de carbono-carbono. Así, cada par constituía un brazo del gradiómetro. El objetivo científico de la misión no era otro que calcular la diferencia entre las aceleraciones medidas por cada par del mismo brazo, o sea, el gradiente gravitatorio.

image El gradiómetro EGG de GOCE (ESA).

image Uno de los tres brazos del gradiómetro con dos acelerómetros (ESA).

image Conjunto de tres brazos del gradiómetro (ESA).

Esto parece sencillo de llevar a cabo, pero no lo es en absoluto. Para que la idea funcione, el gradiómetro debe ser sensible a aceleraciones del orden de diez billonésimas de la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre (!). O lo que es lo mismo, cien veces superior a la sensibilidad del satélite gravimétrico más preciso lanzado con anterioridad. Y no sólo eso. Para lograr esta precisión, la estructura de cada brazo del gradiómetro tiene que permanecer estable durante al menos 200 segundos con una precisión en la longitud similar a la de un radio atómico (!!). Esto implica que las temperaturas de la nave no pueden variar en más de 10 miligrados durante ese periodo de tiempo. La órbita heliosíncrona de GOCE fue escogida para, además de garantizar la cobertura de la mayor parte de la superficie terrestre, reducir los periodos de noche -'eclipses'- a tan sólo dos durante su misión. Por otro lado debemos tener en cuenta que aproximadamente la mitad de las aceleraciones medidas por el gradiómetro corresponden a fuerzas no gravitatorias (es decir, el frenado atmosférico y la presión de radiación de la luz solar), así que había que filtrar este 'ruido' y usarlo de paso para optimizar el uso del motor iónico. El gradiómetro se usó para determinar las variaciones del campo gravitatorio a pequeña escala, pero a mayores escalas este sistema no sirve. Ahí es donde entraba en juego el receptor GPS (denominado SSTI) de 6, 1 kg, que fue usado para detectar las variaciones gravitatorias a gran escala. El contratista principal de GOCE fue Thales Alenia Space Italia, mientras que Thales Alenia Francia y ONERA fueron las responsables principales del gradiómetro.

image Medida de las variaciones del campo gravitatorio según el gradiómetro (ESA).

GOCE fue lanzado el 17 de marzo de 2009 desde el cosmódromo de Plesetsk mediante un cohete ruso Rockot. El 7 de mayo se encendió el motor iónico por primera vez y entre mayo y junio se calibró el gradiómetro, una tarea ardua que requería controlar nada más y nada menos que 72 parámetros independientes. El 13 de septiembre la nave volvió al modo sin rozamiento y el 29 de ese mismo mes dio comienzo la fase científica de toma de datos. El 26 de diciembre se completó el primer mapa gravitatorio de la Tierra y en junio de 2010 la ESA hizo públicos los primeros mapas calibrados. El 21 de octubre de 2013 la nave se quedó sin xenón. Sin poder usar su motor iónico para contrarrestar el frenado atmosférico, la reentrada era cuestión de pocas semanas.

La extraordinaria sensibilidad de GOCE ha permitido estudiar no sólo el campo gravitatorio terrestre, sino también las corrientes y el oleaje de los océanos, además de revolucionar el campo de la geodinámica terrestre. GOCE ya es historia, pero su legado la convierte en una de las misiones científicas más exitosas jamás realizadas por la ESA.

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