Pequeños pero poderosos instrumentos meteorológicos se preparan para su lanzamiento

Dos instrumentos que serán lanzados a la Estación Espacial Internacional en unas pocas semanas podrían marcar un antes y un después en los pronósticos meteorológicos. Se espera que los dos nuevos instrumentos demuestren que, si bien son mucho más pequeños, mucho más livianos y mucho menos costosos que los satélites meteorológicos que orbitan hoy en día, pueden recopilar algunos de los mismos datos esenciales.

El propósito principal del instrumento Radiómetro compacto para vectores de viento oceánico (COWVR, por sus siglas en inglés) es medir la dirección y velocidad de los vientos en la superficie del océano. El Experimento temporal para tormentas y sistemas tropicales (TEMPEST, por sus siglas en inglés) analiza la humedad atmosférica.

Diseñados y construidos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA en el sur de California, estos dos instrumentos son demostraciones de tecnología. La NASA archivará los datos y los pondrá a disposición de todos los usuarios interesados, pero el objetivo principal de la misión es demostrar que los instrumentos pueden funcionar en el espacio y proporcionar datos para los pronósticos meteorológicos. Juntos, forman parte de una misión de la Fuerza Espacial de EE.UU. llamada programa de Prueba Espacial Houston 8 (STP-H8, por sus siglas en inglés), que se espera sea lanzada a la estación espacial el 21 de diciembre.

Novedades sobre el COWVR

Con casi una década de desarrollo, COWVR surgió de los programas de pronóstico del tiempo y observación ambiental basados en el espacio, del Departamento de Defensa de EE.UU. El ejército recopila datos para pronosticar los vientos de la superficie del océano con un instrumento espacial llamado WindSat, que fue lanzado en 2003.

WindSat es un radiómetro de microondas que mide las microondas de origen natural que son emitidas desde la atmósfera y la superficie de la Tierra. Cuando aumenta el viento y crece el tamaño de las olas, también aumentan las emisiones de microondas sobre el océano. Un radiómetro de microondas registra estas emisiones cambiantes, y el procesamiento de los datos puede revelar tanto la velocidad como la dirección de los vientos en la superficie del océano. Esas mediciones son críticas para monitorear cómo se desarrollan tormentas como los huracanes, y se transmiten en los pronósticos y las advertencias para las poblaciones costeras y los barcos en el mar.

WindSat ha superado con creces su vida útil proyectada y todavía está en funcionamiento; pero en 2012, la Fuerza Aérea comenzó a trabajar en un radiómetro de reemplazo del mismo tipo, con la intención de lanzar el nuevo instrumento antes de que WindSat quedara fuera de servicio. El costo y la dificultad de construir este tipo de instrumento hicieron que los científicos del Departamento de Defensa pensaran en lo que podría ser un sensor de viento oceánico de próxima generación. Ahí es donde intervino la NASA.

Shannon Brown, ingeniero del JPL, había estado trabajando en un radiómetro de microondas para la misión oceanográfica Jason-3, desarrollada por la NASA, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica y socios europeos para medir la altura de la superficie del mar. Brown se dio cuenta de que los avances en el diseño del instrumento Jason-3 podrían reutilizarse para satisfacer las necesidades de los meteorólogos. “Creamos un concepto que utilizaba la mayoría de los diseños del hardware de Jason-3, y descubrimos que podía medir la velocidad y la dirección del viento a un costo mucho menor que el que estaba construyendo la Fuerza Aérea”, dijo.

El aspecto novedoso de COWVR es su diseño simplificado. El radiómetro WindSat gira unas 30 veces por minuto a medida que recopila datos. El desafío de ingeniería de desarrollar y encender piezas que puedan rotar muchos millones de veces en el espacio ha demostrado ser uno de los aspectos más costosos y exigentes del desarrollo de radiómetros.

COWVR reduce la cantidad de piezas móviles, reemplazando el hardware con algoritmos desarrollados recientemente por Brown y sus colegas para este instrumento. Los algoritmos extraen del flujo de datos sin procesar las señales deseadas de velocidad y dirección del viento. Las piezas que aún deben girar ahora están alojadas en una plataforma giratoria, por lo que no necesitan ser accionadas individualmente. El instrumento simplificado pesa solo 58,7 kilogramos (130 libras) y utiliza 47 vatios de potencia para funcionar —casi tanto como una lámpara de mesa— mientras que WindSat pesa 450 kilogramos (990 libras) y utiliza 350 vatios.

Un equipo de científicos e ingenieros de la NASA comenzó a desarrollar el instrumento en 2013 en el JPL con un presupuesto de $24 millones de dólares, una quinta parte del costo de WindSat. Completaron COWVR dentro del presupuesto y el cronograma, en 27 meses, con el objetivo de hacer un lanzamiento que estaba planificado para 2018. “Fue necesario un equipo realmente talentoso para lograr eso”, señaló Brown. “Tuvimos que utilizar el mejor criterio de ingeniería de todos para seguir avanzando”.

Don Boucher, científico principal de la oficina del jefe de arquitectos de la Fuerza Espacial de EE.UU. (que asumió las operaciones espaciales de la Fuerza Aérea este año), supervisó el proyecto para los militares. “COWVR tiene la clara posibilidad de marcar un absoluto antes y después para nuestros usuarios”, dijo. “Es más simple de construir, más simple de poner a prueba, el período de tiempo para construir el instrumento es menor... por lo que se pueden construir más por la misma cantidad de dinero que un radiómetro convencional. Eso tiene enormes implicaciones para nuestra cadena de suministro".

Cuando el lanzamiento planeado para 2018 no resultó, la Fuerza Aérea recurrió al programa de Pruebas Espaciales, que proporciona lanzamientos a la estación espacial para la comunidad de ciencia e ingeniería militar. La órbita de la estación espacial le dará a COWVR una vista de la superficie del océano en diferentes momentos del día en cada órbita, a diferencia de una órbita sincronizada con el Sol que transporta a un satélite sobre cualquier parte del globo a la misma hora todos los días. Con el tiempo, esto ayudará a comprender cómo las olas del océano se desarrollan y cambian a lo largo del día.

Observación de tormentas tropicales con TEMPEST

“La Marina tiene un interés real en monitorear la intensidad de los ciclones tropicales, pero esa fue una de las cosas que no pudimos diseñar en COWVR porque teníamos un calendario muy apretado”, dijo Brown, científico del JPL. Pero el JPL ya tenía un instrumento construido precisamente para ese propósito: TEMPEST. Del tamaño aproximado de una caja de cereal, era un repuesto de vuelo —un duplicado creado en caso de daños u otros problemas con un instrumento espacial— para la misión de demostración de tecnología TEMPEST-D 2018 de la NASA.

TEMPEST también es un radiómetro de microondas, pero en lugar de vientos, mide longitudes de onda de microondas que son sensibles a la presencia de vapor de agua. Al recopilar datos sobre numerosos huracanes y otras tormentas entre 2018 y junio pasado, ya había demostrado que podía medir el vapor de agua en varios niveles de la atmósfera, así como lo hacen los satélites tradicionales.

“TEMPEST aporta la capacidad de detectar tanto la cantidad de humedad atmosférica como su distribución vertical”, dijo Steve Swadley, jefe de calibración y validación de sensores de microondas en el Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU. en Monterey, California. “Esto es importante tanto para los modelos numéricos como para caracterizar la humedad que rodea a los ciclones tropicales. Entonces, cuando Shannon [Brown] nos dijo: ‘Tenemos un TEMPEST de sobra, ¿sería útil en esta misión?’, la respuesta fue un sí rotundo”.

Si los instrumentos funcionan como se espera, es probable que la nueva tecnología de menor costo tenga un uso generalizado. Las organizaciones podrían lanzar cuatro o cinco satélites con el mismo presupuesto con el que antes hubieran pagado por uno. Hoy en día, existen tan pocos satélites meteorológicos que es posible que solo uno o dos de ellos pasen sobre una tormenta en formación durante todo un día. Esas pocas “instantáneas” de una tormenta no dan a los meteorólogos la información suficiente para monitorear el tipo de crecimiento explosivo que exhiben ahora tantas tormentas. Más satélites darán a los científicos la oportunidad de aumentar la precisión de los pronósticos y salvar más vidas.

Pero eso es mirar hacia el futuro, señaló Brown. La misión STP-H8 sigue siendo una demostración de tecnología para mostrar la viabilidad de los instrumentos. “No tenemos ninguna razón para pensar que no lograremos nuestros objetivos, pero sea lo que sea que surja, estamos seguros de que vamos a aprender mucho”.

Por Carol Rasmussen

Laboratorio de Propulsión a Chorro

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