En este artículo quiero compartir con los lectores de “Hacia el Espacio”, el trabajo que he desarrollado como parte de mis estudios de maestría en la colaboración internacional del proyecto JEM-EUSO, un telescopio que se instalará en la Estación Espacial Internacional y que se dedicará a la detección de rayos cósmicos de ultra alta energía.
Este trabajo ha estado lleno de retos y de satisfacciones, y espero poder transmitir una pequeña parte de lo que hacemos en nuestro país en cuestión de aplicaciones espaciales, y mostrar el potencial que tiene México para contribuir activamente en ésta y en todas las áreas del conocimiento.
Camino hacia la tecnología espacial
Recuerdo que hace tiempo cuando era niña un día observaba las estrellas. Nunca me había sentido tan feliz y maravillada como cuando me di cuenta de que había algo más allá de la Tierra, algo inmenso: el Universo. No miento cuando digo que desde entonces mi curiosidad por saber más sobre sus misterios creció, hasta que se hizo parte de mis sueños y de mi vida poder un día tocar con mis propias manos las estrellas y las galaxias.
Sin embargo, sabía que eso no era posible, porque no se puede salir así como así de la Tierra y menos sostener una galaxia en la palma de la mano. Por eso, cuando llegó el tiempo de elegir mi carrera, pensé mucho en cuál sería la mejor opción para dedicarme a la exploración espacial.
Para seguir mi sueño, decidí estudiar ingeniería electrónica, porque es una carrera que me permite construir esas “manos” que pueden ir al espacio en mi lugar, que pueden acercarse a las estrellas y “tocar” otros planetas. Simplemente imaginar que algo que yo hice pueda viajar por el espacio, me llena de alegría.
Fue esta búsqueda de mi sueño la que me impulsó a especializarme, por lo que decidí entrar a la maestría en Ingeniería Eléctrica en la UNAM.
La misión JEM-EUSO y la detección de rayos cósmicos de ultra alta energía
Al comenzar la maestría nunca me imaginé que estaría trabajando en un proyecto tan importante como el JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on the Japanese Experiment Module), el cual es un telescopio espacial que se pondrá en órbita en el 2018 y que se dedicará a la detección de rayos cósmicos de ultra alta energía.
Cuando el Dr. Gustavo Medina Tanco, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM y líder de la colaboración en México de este proyecto, además de ser mi tutor, me habló de esta colaboración internacional, me dijo que estaba liderada por la Agencia Espacial Japonesa (JAXA) y la Agencia Espacial Rusa (ROSCOSMOS), además de contar con la participación de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Estadounidense (NASA). Entonces me di cuenta de que ser parte de un proyecto de esta magnitud implica una gran responsabilidad, pero que también es un reto que me emociona.
Los rayos cósmicos son partículas que se forman en las explosiones más violentas del Universo, y dependiendo de la fuerza de la explosión poseen una mayor o menor energía. Por ejemplo, un rayo cósmico que se haya originado en la explosión de una estrella, será menos energético que el generado en la que creemos que fue la explosión que le dio origen a nuestro Universo, el Big Bang. Este rayo cósmico tendría una energía muy grande, por lo que en la teoría se les llama rayos cósmicos de ultra alta energía.
Rayos cósmicos de todas las energías viajan por el Universo y caen de forma natural sobre los cuerpos celestes incluyendo a nuestro planeta, en donde se han creado observatorios que se dedican a detectarlos. Entre más alta es su energía, la frecuencia con la que caen en la Tierra es menor y por lo tanto se pueden detectar muy pocos. Por ejemplo, hay rayos tan escasos que se calcula que cae uno por kilómetro cuadrado cada mil años, es decir que desde que nació Cristo hasta ahora habrían caído tan solo ¡dos partículas con esta energía! Además, como no se sabe en donde caerá un rayo cósmico, se tienen que crear observatorios que ocupen un área lo más grande posible, para tener más probabilidad de captarlos.
La atmósfera terrestre: ¿detector gigante de rayos cósmicos?
Actualmente, el observatorio más grande del mundo es el Pierre Auger en Malargüe, Argentina. Éste mide un poco más que el Distrito Federal, y sin embargo ha podido detectar tan solo 4 partículas de ultra alta energía desde que comenzó a recibir datos en 2004.
Con tan pocos datos, se puede decir que nadie en el mundo sabe con certeza algo de estos rayos, pero hay muchas teorías sobre ellos y algunas proponen que, por su alta energía, debieron surgir desde la primera gran explosión, por lo que la información que llevan consigo podría ayudar a los científicos a resolver los enigmas sobre el origen del Universo y hasta posiblemente encontrar una aplicación de estos rayos para el desarrollo de tecnología.
Para lograr todo esto, se necesita reunir una gran cantidad de información y dado que construir un observatorio más grande en la Tierra no es viable, se pensó en incrementar el área de detección utilizando la atmósfera terrestre como un detector gigante de rayos cósmicos. Es por esto que el telescopio JEM-EUSO viajará hasta una altura de 400 km, para instalarse en la Estación Espacial Internacional y observar desde allá nuestra atmósfera (figura 1) en busca de estos rayos de ultra alta energía.
Figura 1. JEM-EUSO utilizando la atmósfera terrestre como un detector gigante.
México en el Espacio
El JEM-EUSO es un telescopio de dos metros de diámetro, dentro del cual convivirán una serie de dispositivos que le dan vida. Cada uno de estos elementos pueden ser comparados con los sistemas de nuestro cuerpo. De esta forma, se puede decir que el telescopio esta compuesto de un sistema que lo abastece de energía, de otro que es su cerebro y además de un sistema nervioso, entre otros.
Cada sistema tiene su nombre dentro de este instrumento y al sistema nervioso del JEM-EUSO se le denomina Housekeeping (que en adelante se abreviará como HK). México, a través del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, tiene la responsabilidad de diseñarlo y construirlo.
Housekeeping, es una palabra en inglés que significa “ama de llaves”. Este término normalmente se utiliza en el área de aplicaciones espaciales para nombrar a aquellos dispositivos cuya función es similar a la que tiene un ama de llaves en una casa. Esta persona, es la encargada de verificar que todos los empleados estén realizando sus tareas de forma eficiente y en tiempo para que la casa siempre esté en orden.
Para comprender mejor que es lo que hace, pensemos en que los empleados de la casa son los sistemas del cuerpo humano, y el ama de llaves es el sistema nervioso. Entonces, el HK es el encargado de verificar en todo momento que todas las partes del telescopio estén “sanas” y en caso de que alguna de ellas “enferme” avisar inmediatamente al cerebro para que este decida como atacar el problema. No es como si al instrumento le pudiera dar insolación por estar a 150°C, pero si podría ser que algún circuito se quemara impidiendo por ejemplo, que la electricidad fluya por sus venas.
Por esto, el “sistema nervioso” es uno de los elementos más importantes en esta misión, porque si no existiera, poco a poco el JEM-EUSO moriría y dependiendo de la falla, podría hasta ser una muerte instantánea.
Mi tarea como parte del grupo de científicos mexicanos, es proponer el diseño del HK, es decir, analizar cuál es la mejor forma de construirlo, de modo que sea confiable, que cumpla con sus tareas y que quepa dentro del telescopio. Esta tarea no la he realizado sola, ya que siempre he contado con la experiencia de mi tutor y del Dr. Mario Alberto Mendoza Bárcenas, quien también forma parte del grupo mexicano de colaboración y es investigador en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del IPN.
Los peligros del ambiente espacial
Como se ha mencionado, el JEM-EUSO se instalará en la Estación Espacial Internacional, la cual se encuentra en el espacio exterior, donde ya no se cuenta con la protección que brinda la atmósfera terrestre.
Todo lo que se encuentre en órbita o más lejos, estará expuesto a condiciones espaciales adversas: el vacío, que puede provocar que los materiales se evaporen; frío o calor extremo, que pueden ocasionar que un componente electrónico deje de funcionar y radiación espacial, que puede incluso hasta perforar algún elemento. Esto sin mencionar que hay mucha basura espacial, ya sea natural como los meteoritos, o artificial como restos de otros instrumentos, que pueden golpear al JEM-EUSO.
Diseñando el sistema nervioso de un telescopio espacial
Debido a que el sistema nervioso o HK, se enfrentará a un ambiente lleno de peligros, había que descubrir cómo hacerlo resistente.
Comencé a trabajar en un diseño en el cual todo el sistema nervioso fuera una sola superficie, pero a pesar de que cumplía con todas sus funciones, me encontré con un gran problema: al calcular su tamaño mi diseño media ¡más de dos metros! Y debido a que el material sobre el que se construye es rígido, sería imposible meterlo en el telescopio.
Discutimos las posibilidades para reducir el tamaño de esta tarjeta con el grupo de trabajo, pero a pesar de las sugerencias y modificaciones, no fue posible. Cuando parecía que el problema no tenía salida, una idea surgió: ¿por qué no distribuir el sistema nervioso del telescopio en más de una superficie?
Así nació el segundo diseño, y de la misma forma que un sistema nervioso, este nuevo HK está compuesto por una columna vertebral, que se comunica con el cerebro del JEM-EUSO, y por los nervios que recorren al instrumento para supervisar su salud. Cada uno de sus elementos se construirá sobre una superficie pequeña, para que puedan acomodarse dentro del telescopio, ya sea apilados o distribuidos.
Esta nueva opción ha resultado tener ventajas para sobrevivir en un ambiente espacial, por ejemplo, si alguna de las partes en las que se ha dividido se daña, esto no implicará que el sistema falle por completo. Esta distribución incluso permite tener un diseño tolerante a fallas, que es una técnica muy utilizada en aplicaciones espaciales.
Para verificar si el diseño cumplirá con las funciones necesarias, construí una parte del HK en el laboratorio con los elementos más importantes. Al hacer las pruebas, el modelo cumplió con sus funciones de la manera esperada, y aunque también descubrí que hay que hacer mejoras, es muy satisfactorio saber que la propuesta ha sido aceptada por el grupo de trabajo.
Me siento muy agradecida de que el Dr. Medina Tanco haya confiado en mí al permitirme formar parte de este proyecto, porque ésta colaboración me ha dado la oportunidad de vivir mi sueño: ser parte de la creación de un instrumento que podrá ir al Espacio en mi lugar y en el lugar de todos los científicos que participan, para ser nuestras manos, nuestros ojos y explorar los maravillosos misterios que guarda nuestro Universo. Aún hay mucho trabajo por hacer, pero estamos un paso más cerca de finalizar nuestra tarea y cuando este proyecto termine, ¡vendrán más misiones por cumplir!.
Si desean saber más detalles sobre éste trabajo, pueden consultar el portal de tesis de la biblioteca central de la UNAM, buscando “Propuesta de un Esquema de Instrumentación para el Subsistema Housekeeping del Telescopio Espacial JEM-EUSO y Análisis de Viabilidad para su Implementación en un FPGA Virtex-5”, o visitar este link:
