Estela de Cassini: com pot una nau espacial pertorbar les seves pròpies mesures?

L’espai pot ser un buit, però està lluny de ser buit, ple de partícules carregades i camps electromagnètics. Aquest estudi, publicat al Journal of Geophysical Research: Space Physics, utilitzava un programari finançat per l’ESA anomenat Spacecraft Plasma Interaction System (SPIS), utilitzat per modelar la interacció entre la nau espacial i aquests entorns circumdants.

“Aquest estudi marca la primera vegada que aquestes simulacions s’han comparat i confirmat amb mesures reals de naus espacials d’un planeta més enllà de la Terra”, explica Becari d’investigació de l’ESA Mika Holmberg, que va passar tres anys a l’ESA Secció d’Embients i efectes espacials al ESTEC centre tècnic als Països Baixos.

L ‘estudi es va centrar en el Nau espacial NASA-ESA-ASI Cassini-Huygens, que va deixar la Terra el 1997 per una odissea de gairebé dues dècades per explorar Saturn i les seves principals llunes. El camp magnètic del gegant gasós és el segon més gran de qualsevol planeta, poblat per partícules carregades originades tant pel propi Saturn com per les seves 82 llunes.

Mika comenta: “El conjunt d’instruments de Cassini incloïa una sonda Langmuir, un elèctrode que s’estenia des del cos de la nau espacial. Penseu en això com una “estació meteorològica espacial”, per mesurar la densitat, la temperatura i la velocitat de les partícules carregades que envolten la nau espacial. Aquest instrument proporcionava les dades sòlides per confirmar la precisió de la nostra simulació SPIS “.

Aquest tipus de simulacions són útils en principi per a qualsevol nau espacial o instrumentació col·locada a l’espai, però sobretot per a missions científiques centrades en l’estudi dels entorns espacials dels planetes, inclosa la Terra.

Mika afegeix: “Són importants per a l’anàlisi precís de les mesures de partícules i camps de les missions planetàries, inclosa la caracterització directa d’entorns espacials com magnetosferes, el vent solar, les ionosferes de planetes i llunes, fins i tot possibles plomes que se’n deriven. Cassini ens va donar un emocionant exemple d’aquest darrer quan va passar per un plomall originari de la gelada lluna Enceladus, revelant proves d’aigua líquida sota la seva superfície congelada.

“Però, fonamentalment, els resultats d’instruments in situ també poden interpretar-se malament si no es tenen en compte les interaccions locals, com ara les esteles formades per la nau espacial”.

SPIS també s’utilitza habitualment per modelar l’aparició de càrregues superficials a través de diverses superfícies de naus espacials, que poden donar lloc a una “descàrrega electrostàtica”, essencialment una mena de llamp espacial que arrisca danys greus als subsistemes o fins i tot pot amenaçar la pèrdua de la missió. Aquesta càrrega de la nau espacial és impulsada al seu torn per les partícules i la radiació que l’envolta.

Fins i tot la llum solar sostinguda allibera electrons de les superfícies de les naus espacials, un factor que cal tenir en compte dins del modelatge.

Mika assenyala: “Aquestes idees també són importants per a futures missions planetàries, com ara Europa Clipper i ESA de la NASA Missió de Júpiter Suc. Vam fer un gran nombre de simulacions per a Juice, que van provocar el canvi d’alguns materials superficials, ja que les simulacions van mostrar que la missió podria estar en perill amb la selecció original “.

SPIS és un programari de codi obert iniciat el 2001 per l’ESA amb el suport de l’agència espacial francesa CNES en col·laboració amb el laboratori aeroespacial francès ONERA i la Artenum empresa.

“Tenir l’oportunitat de treballar a l’ESA amb els experts que realment van participar en el desenvolupament del programari va ser una oportunitat d’or”, afegeix Mika.

L’especialista en entorns i efectes de l’ESA Fabricie Cipriani va supervisar el treball de Mika a ESTEC: “La complexitat i la sensibilitat dels instruments científics per a exploracions planetàries continuen creixent. Per tant, aquest tipus d’eines de simulació són essencials tant per identificar possibles problemes durant les primeres fases de desenvolupament com per garantir la interpretació precisa dels resultats un cop un instrument vola, si, com en el cas de Cassini, la interacció de la nau espacial amb el seu entorn és significativa.

“I, a més del seu treball sobre Cassini, Mika també va realitzar un treball desafiant modelant els nivells de càrrega superficial de Juice durant la seva exploració de les llunes galileanes de Júpiter. Ara tenim un model complet per a la nau espacial Juice que serà molt útil per a una avaluació posterior i, després, un cop a Júpiter, l’explotació real de les dades de la missió ”.