Figura 1. DIM, el Monitor de impacto.
La misión Roseta de la esa (Agencia Espacial Europea) tenía un enfoque algo distinto a los anteriores. Roseta era un orbitador dedicado al estudio del cometa 67P/Churiumov-Gerasimenko y el estudio del polvo cometario era uno de sus objetivos más importantes. Entre sus 10 instrumentos de investigación contaba con tres que estaban dedicados a este propósito: el acumulador de polvo giada (por sus siglas en inglés), capaz de fotografiar las partículas que capturaba, y los instrumentos cosima y midas, que se especializaban en determinar la composición del polvo. Además, Roseta transportaba el módulo de acometizaje Philae, que también llevaba su propio detector de polvo, un sensor llamado dim, cuya historia es muy peculiar.
dim
El sensor dim (o monitor de impacto de polvo) era el instrumento más simple y pequeño de la misión Roseta. Era un cubo de cerca de 7 cm de lado, diseñado para operar en la superficie de un cometa y estudiar el polvo milimétrico que se mueve cerca de su superficie. Tres de las seis caras del dim tenían tres placas piezoeléctricas (o pzt) de forma rectangular. La característica de los pzt es que están hechos de un material en cuyas moléculas se produce cierto voltaje –y por tanto una corriente– cuando se les aplica presión. Así, cualquier partícula de polvo que chocara con los pzt de dim sería detectada.
dim fue diseñado por Áttila Péter, ingeniero húngaro, para una tarea totalmente diferente: detectar fracturas en albercas de reactores nucleares al momento que se generaban. Cuando la misión Roseta estaba en planeación, Áttila fue invitado a contribuir con un instrumento para las naves y le pareció que un sensor piezoeléctrico no sólo detectaría la onda acústica producida por una fractura, sino también registraría impactos de partículas de polvo relativamente grandes.
La misión Roseta sufrió muchas modificaciones en su diseño y objetivos, y también retrasos por fallas; pero, al final, hubo cierta presión y premura por parte de la esa para lanzarla, por lo que no hubo suficiente tiempo para estudiar con el detalle necesario el comportamiento de sus instrumentos. Por ejemplo, en el caso de dim no se conocían bien su sensibilidad, ni sus límites de detección. Entre la etapa de planeación de Roseta y Philae y su llegada al cometa pasaron más de 20 años. Para el momento en que Roseta ya estaba a poco tiempo de alcanzar su objetivo, Áttila estaba retirado y era afectado por el Parkinson. Había muy poca documentación escrita sobre el instrumento y sólo un colaborador que entonces era estudiante de doctorado, Hans-Herbert Fischer, del Centro Espacial Alemán (dlr, por sus siglas en alemán), desde donde se controlaba Roseta, había hecho pruebas preliminares con dim, pero sólo tenía una idea general de su funcionamiento. Más tarde, Hans-Herbert formaría parte del equipo de operación de Roseta.
A pocos años de que Roseta alcanzara al 67P, el astrónomo Harald Krüger se hizo cargo de dim cuando se incorporó al Instituto Max-Planck (también llamado mps) para el estudio del sistema solar en Alemania, uno de los institutos participantes de la misión. Su tarea era estudiar a dim e interpretar los datos que obtuviera durante su operación sobre la superficie del cometa usando cinco sensores idénticos a dim. Se requerían muchas pruebas que simularan los posibles impactos de polvo sobre dim, pero también el desarrollo de un modelo matemático que permitiera interpretar los datos y un programa computacional para un análisis rápido de los mismos. Cuando Harald conformaba su equipo de trabajo, me invitó a participar como es-pecialista en polvo e investigador del grupo de ciencias espaciales del Instituto de Geofísica de la unam. Harald y yo nos habíamos conocido en el Instituto Max-Planck de física nuclear en Heidelberg, donde tuve la suerte de realizar mi trabajo de doctorado con los datos de los detectores de polvo de las naves Galileo y Ulises bajo la supervisión de Eberhard Grün, uno de los pioneros en el estudio del polvo cósmico. En ese entonces, Harald era parte del llamado Grupo de polvo y estaba a cargo del detector de polvo de la nave Ulises.
Otros miembros del equipo dim eran Alexander Loose, hábil ingeniero del mps con mucha experiencia en la construcción de instrumentos espaciales; Walter Arnold, veterano especialista en materiales de las universidades de Gotinga y Saarland, y del prestigiado Instituto Fraunhofer; y Áttila Hirn, húngaro especialista en radiación y dosimetría del Centro de Energía de Budapest y el anterior científico encargado de dim. Participaron también varios estudiantes que desarrollaron parte de sus proyectos de maestría y doctorado con dim.
En gran parte, el trabajo requería impactar una gran variedad de partículas –de preferencia esféricas– de diversos materiales y tamaños en los gemelos de dim que teníamos en la Tierra, para analizar su respuesta. La forma esférica, aunque poco realista si pensamos en una partícula de polvo interplanetario, es conveniente para los experimentos, no sólo porque es más fácil de calcular el tamaño de las partículas, sino porque cuando impactan sus áreas de contacto son casi constantes. La mayoría de los experimentos los realizamos en el mps porque ahí se encontraban los duplicados del sensor (ahora tenemos un duplicado en el Instituto de Geofísica). Algunos experimentos fue necesario realizarlos en el dlr donde se encontraba la réplica completa de Roseta y Philae, lo que nos permitió tener una respuesta del instrumento lo más cercana posible al instrumento a bordo de la nave.
Las pruebas de dim
Cuando un cometa como el 67P se acerca al Sol, su superficie se calienta por la radiación solar y se genera una atmósfera transitoria de gas y polvo llamada coma. Parte del polvo de la coma proviene de la superficie y parte de capas algo más profundas que quedan expuestas al fracturarse la corteza. Las partículas más finas de la coma –micrométricas o menores– son empujadas por la propia radiación solar –o presión de radiación– y forman una de las colas del cometa. Las partículas algo mayores, con tamaños de hasta unos pocos milímetros, pueden quedar atrapadas en órbitas alrededor del cometa, y las partículas más grandes, cercanas a las fracciones de centímetro o mayores, simplemente caen de vuelta a la superficie y cubren al cometa formando una capa relativamente gruesa de polvo similar a la que existe en nuestra luna.
Los resultados de Stardust eran una buena referencia de lo que podían esperar los instrumentos de Roseta en cuanto a polvo, con la salvedad de que las partículas que atrapó en sus colectores de aerogel fueron captadas a distancias mayores a los 200 km del Wild 2. Roseta estaría 10 veces más cerca del 67P y Philae –con dim– se posaría en el núcleo del cometa. En teoría, dim estaría en contacto con partículas grandes que por su tamaño no serían capaces de escapar de la superficie del cometa, pero quizás similares en composición a las detectadas por Stardust; así también se esperaba encontrar partículas de hielo.
Debido al diseño de dim, cada partícula detectada arrojaría sólo dos valores: el voltaje máximo producido por su impacto con alguno de sus pzt y el intervalo de tiempo en el que la partícula estuviese en contacto con el pzt (llamado tiempo de contacto). En el laboratorio, ambos valores pueden obtenerse de la gráfica completa de la señal cuando uno de los duplicados de dim se conecta a un osciloscopio, instrumento muy usado para el análisis de señales de muchos tipos. En realidad, la señal completa es una multitud de valores de los que el voltaje máximo y el tiempo de contacto son los más relevantes. Desafortunadamente, por economía, en la electrónica de Philae no se incluyó algo parecido a un osciloscopio; sin embargo, el análisis de la señal completa en el laboratorio era necesario y fue muy importante para conocer mejor las capacidades del instrumento.
La gráfica de un impacto se ve como una onda cuya forma depende del tipo de partícula y de su velocidad. La altura del primer pico de la onda es el voltaje máximo y está relacionada con la velocidad de impacto de las partículas. El ancho horizontal del pico corresponde al tiempo de contacto. Típicamente, el voltaje está en milésimas de volt o milivolts, y el tiempo en millonésimas de segundo o microsegundos. Entre más intenso es el choque entre la partícula y el sensor, más grande o intenso es el voltaje; y entre menos rígida o más deformable es la partícula, su tiempo de contacto será mayor y viceversa.