Cosas que molan. Proyecto ISEE-3 Reboot o cómo pilotar una sonda espacial   Leave a comment

ISEE-3R_MissionPatch-500x500A estas alturas, el proyecto ISEE-3 Reboot no debería ser ningún desconocido para cualquier espaciotranstornado que se precie e, incluso, para cualquier avezado internauta y lector compulsivo de feeds y weblogs variados. Probablemente, y si tiene éxito – que va por buen camino – llegue a contar con su minuto y medio de fama en algún medio generalista patrio como noticia veraniega de relleno en el tiempo de descuento del telediario.

Otros muchos lo están contado mucho mejor que yo, pero no me resisto a hacer una reseña del mismo por si algún despistado aún no lo conoce. Y porque es algo que mola mucho, muchísimo, lo que de paso se me sirve para fundar una nueva serie de artículos en este blog: Cosas que molan. Sin ninguna garantía de continuidad, por supuesto,  al igual que el resto de series de este blog, y que el blog mismo 🙂

Metiéndonos en harina, los ingredientes del proyecto ISEE-3 Reboot son muy sencillos:

  • Una sonda espacial de la NASA medio olvidada vagando por el sistema solar.
  • Un radiotelescopio de unos 300 metros de diámetro situado en, pongamos, Arecibo (Puerto Rico).
  • Un grupo de expertos, ingenieros y entusiastas de la exploración espacial sin miedo a pensar a lo grande y con un objetivo: retomar el contacto con la sonda errante recuperando especificaciones obsoletas, controlarla para alterar su órbita y hacer que vuelva a funcionar de nuevo como instrumento científico, para aquello que fue diseñada originalmente.

Efectivamente, existe una sonda espacial de la NASA, que tras cumplir una serie de misiones más allá de su cometido inicial, quedó vagando por el sistema solar interior prácticamente abandonada. La ISEE-3 (International Sun-Earth Explorer 3) fue lanzada en 1978 hacia el punto de Lagrange L1 del sistema Tierra-Sol. Su objetivo principal era el estudio del viento solar y su interacción con las capas más exteriores de la magnetosfera terrestre. De hecho, fue el primer objeto enviado a un punto de Lagrange, con lo cual parte de su misión era también comprobar que era posible orbitar de forma estable alrededor de una de esas zonas de equilibrio gravitatorio. Este tipo de órbita se conoce como “de halo” y fueron originalmente postuladas por un ingeniero de la NASA llamado Robert Farquhar, quien no será la primera vez que aparezca en esta historia…

Esto ya era suficientemente interesante como para granjearse una reputación entre la comunidad de las sondas espaciales, y llevar una vida tranquila de estudio de las partículas cargadas de la corona solar. Sin embargo, en 1986 apareció una fuerza externa que provocó la salida de nuestra humilde protagonista (ISEE-3 era una sonda de diseño bastante sencillo) de su plácida órbita de halo, cambió incluso su nombre, y la arrojó a una vida azarosa e insospechada. No fue ningún impulso extraterrestre ni la gravedad la que lo hizo, sino la fuerza de la tensión propagandística de la Guerra Fría.

1986 fue el año del cometa Halley y quienes ya tenían uso de razón por aquel entonces posiblemente recuerden que fue un tema bastante popular en su momento, incluso si no leías la Muy Interesante. El caso es que mientras que agencias espaciales de la URSS, Japón o Europa contaban con planes avanzados de varios ingenios que viajasen al encuentro del cometa, la NASA no tenía nada de nada a principio de la década que lanzar a semejante estrella – fugaz – mediática. Es importante señalar que era la primera vez que se iba a realizar el sobrevuelo de un cometa, así que la NASA, en una treta un tanto desesperada, decidió desempolvar una antigua propuesta de – ¡oh! – Robert Farquhar para enviar a la ISEE-3 al encuentro del cometa Giacobini-Zinner, cambiando en el proceso su nombre por el de ICE (International Cometary Explorer). El caso era poder colgarse la medalla de haber realizado el primer sobrevuelo cometario, a pesar de que la ISEE-3 no estaba originalmente pensada para este tipo de misión ni contaba con instrumentos diseñados para ella: pasó a unos 7.800 kilómetros del núcleo del cometa y al no tener cámaras, no pudo sacar ni una sola foto del evento. Pero se apuntó el tanto, y Farquhar consiguió una carta de felicitación del propio Ronald Reagan por conseguirlo antes que los rusos alcanzaran el Halley.

international_cometary_explorer_isee3_art

En justicia hay que reconocer que la maniobra no dejó de tener su mérito e ISEE-3/ICE añadió a su lista de hitos el ser la primera en utilizar la asistencia de la gravedad lunar para sus cambios de trayectoria. Todo un carrerón ya para una sonda tan modesta.

 ISEE-3/ICE was the first spacecraft to use a “halo orbit” and lunar gravity-assist maneuvers to achieve its mission objectives. Using these innovative trajectory techniques, ISEE-3/ICE was able to carry out a number of important scientific mission tasks including: the first continuous measurements of solar-wind conditions upstream from the Earth; the first exploration of the Earth’s magnetotail between 80 and 240 Earth radii; and the first encounter with a comet […] Finally, it is shown that, by successfully demonstrating the usefulness and practicality of halo orbits and lunar gravity-assist trajectories, ISEE-3/ICE has paved the way for numerous follow-on missions such as Hiten, Geotail, Wind, SOHO, ACE, MAP, Genesis, Triana, FIRST, Planck, and NGST.

The Flight of ISEE-3/ICE: Origins, Mission History, and a Legacy
Robert W. Farquhar, 1998

Después de su sobrevuelo del Giacobini-Zinner, ICE pasó también a través de la cola del cometa Halley antes de que sus competidores lo alcanzasen. Y aunque lo hizo a más de 20 millones de kilometros de su núcleo – ¡casi ná! – no fue óbice para que la NASA se proclamase vencedora de la carrera por el Halley, anunciando que la sonda había realizado su segundo “sobrevuelo” a un cometa.

isee-3 maneuvers

Tras tantas vueltas y revueltas, maniobras de todo tipo y con los objetivos sobradamente cumplidos la NASA encendió los motores de la sonda una última vez para colocarla en una órbita heliocéntrica que finalmente la condujese a realizar un sobrevuelo lunar el día 10 de Agosto de 2014 – es decir, casi unos 30 años después. La idea es que la sonda prestase un último servicio en forma de experimento para saber cómo afectaría una estancia tan larga en el espacio interplanetario a sus sistemas. El destino final, con la ayuda gravitatoria de la luna, sería colocarla en una órbita geocéntrica y destinarla a nuevas funciones según su estado, e incluso quizás más tarde capturarla para su estudio.

Desde entonces se mantuvo contacto ocasional con la sonda en varias ocasiones durante esa larga marcha a través de la noche cósmica. No cabe duda de que estaba bien construida y sus sistemas se mantenían en una forma envidiable – solo uno de sus 13 instrumentos había dejado de ser operativo después de tanto trajín. Pero 30 años son muchos y aunque no parecían minar apenas el funcionamiento de ISEE-3/ICE, sí que hacían mella en el interés y los recursos destinados por la NASA para el mantenimiento de la misión. La modernización de las instalaciones de seguimiento en tierra hizo que el equipamiento necesario para hablar con la veterana viajera se retirase, obsoleto. A partir de 1999 la NASA dejó de poder comunicarse con ella. Fin.

ISEE-3 Reloaded

¿Fin? ¡Ni de coña! En 2008, la red de espacio profundo de la NASA (DSN o Deep Space Network) capta de nuevo la débil señal de la onda portadora del transmisor de la nave. ISEE-3 sigue viva y coleando, tragando kilómetros pacientemente hacia su encuentro lunar de 2014. Aunque ya no es posible “hablar” con ella, solo detectarla, el evento no pasa desapercibido a un pequeño grupo de personas involucradas en el desarrolloy seguimiento de la sonda durante su vida útil. Entre ellos está, como no, Robert Farquhar, responsable último de la sinfonía de misiones y órbitas recorridas por nuestro infatigable ingenio.

“It’s alive!”, declara triunfante en un correo electrónico enviado a sus colegas tras la recepción por la DSN de la señal del artefacto en 2008. La ISEE-3 vuelve a estar brevemente en el candelero, al menos dentro de la reducida comunidad de ingenieros aeroespaciales y aficionados a la exploración interplanetaria. Se intercambian planes y propuestas de nuevas misiones para la sonda una vez regrese al vecindario. Se calculan – el infatigable Farquhar – nuevas trayectorias. Pero pronto la realidad se impone  y se constata, como se dijo antes, que ya no es posible comunicarse con la sonda debido a la falta de transmisores adecuados para hacerlo en las instalaciones de la NASA. Reconstruir el hardware de comunicaciones necesario está fuera de la cuestión debido al coste que supone para una agencia en horas – más bien décadas – bajas. La obsolescencia tecnológica parece condenar a la vieja sonda, que habla en un lenguaje olvidado, a un eterno ostracismo, a pasar de largo en silencio para siempre jamás.

No obstante, la semilla ya ha sido plantada… más gente ha oído hablar de esta triste historia y sabe de, o recuerda de nuevo, la existencia de este vagabundo espacial y su reencuentro con la Tierra en 2014. El mismo avance de la tecnología que dejó desfasada a la sonda y sus protocolos de comunicación, hace que equipos que hace 3 décadas solo poseían unos pocos gobiernos, puedan hoy estar al alcance de ciertos grupos de radioaficionados. De hecho, las noticias sobre el retorno de ISEE-3 despertaron el interés de algunos de esto grupos que, a partir de ese momento, intentaron captar por su cuenta la señal. El primero en conseguirlo fue el equipo alemán AMSAT-DL con una antena de 20 metros.

Desde el momento en el que se vislumbró la posibilidad de entrar en contacto con la sonda fuera de las instalaciones oficiales de la NASA, algunas cabezas comenzaron a echar humo. Poco a poco se fue congregando un grupo de ingenieros, científicos, programadores y radioaficionados que iniciaron el proyecto ISEE-3 Reboot y una campaña de crowfunding con el objetivo de

[…] contactar a la nave ISEE-3 (International Sun-Earth Explorer), ordenarle que encienda sus motores y entre en una órbita cercana a la Tierra, y entonces continuar su misión original – una misión que comenzó en 1978. ISEE-3 fue rebautizada como International Comet Explorer (ICE). Si tenemos éxito, quizás aún seamos capaces de perseguir un nuevo cometa.

¡Qué te parece! Eso es lo que se llama pensar a lo grande. Un proyecto semejante no podía dejar de atraer a todo tipo de hackers,  mentes brillantes y organizaciones privadas de diversas disciplinas; ni la NASA  y la comunidad aeroespacial ignorar un objetivo tan ambicioso (y de bajo coste para ellos…). Así que en un esfuerzo comunitario liderado por Dennis Wingo (Skycorp Inc.) y Keith Cowing (Space College), comenzaron a rebuscar las especificaciones originales de la nave y sus protocolos de comunicación, desperdigadas en los archivos de la agencia, y a planear y llevar a cabo el montaje de un sistema de comunicaciones moderno capaz de hablar con el viejo cacharro. Si bien reconstruir el hardware original fue descartado en su momento por su excesivo ratio de coste-beneficio, la clave se encontró en un elemento que no estaba disponible en la época en la que se lanzó la ISEE-3: SDR, Software-Defined Radio, libre y al alcance de cualquiera, con la potencia suficiente como para emular el complejo sistema de transmisión que había sido retirado en 1999 de la red DSN de la NASA. Por supuesto, no deja de hacer falta un plato grande (amén de algún otro hardware adicional conseguido gracias al crowfunding) como antena de comunicaciones, y ahí es donde la colaboración internacional ha conseguido entre otras, tiempo de uso en el radiotelescopio de Arecibo o en la propia DSN.

missioncontrol.l

 

Pero una buena parte de las operaciones necesaria para codificar y decodificar las señales enviadas a y desde la nave pueden realizarse utilizando el software de procesamiento de señal GNU Radio, disponible para cualquiera bajo licencia GPL. Imaginaos el subidón del equipo del proyecto cuando, tras una preparación que a buen seguro tomó muchos meses de empaparse documentación antigua, en ocasiones vaga o incompleta, miles de papeleos con la NASA y los distintos observatorios para obtener las autorizaciones pertinentes, preparar todo el montaje necesario para la comunicación en observatorios de distintas partes del mundo, localizar y ajustar la señal… consiguen finalmente contactar con la nave, enviar la orden de activar la telemetría y recibir y decodificar esa información…

We have telemetry

Esto demostró que era posible entender el lenguaje olvidado de la ISEE-3 y establecer un diálogo constructivo con ella. A partir de aquí comenzaba la segunda y más ambiciosa parte de la misión, que es la de conseguir activar sus impulsores de hidrazina para variar su curso de manera que pase a solo 50 km de la superficie lunar (¡a 50 km nada más, después de un viaje de millones!) y que gracias a su gravedad salga disparada al encuentro, de nuevo, del punto L1 del sistema Tierra-Sol, allí donde comenzó su andadura hace la friolera de 36 años. Make me do science again.

¿Sabes lo mejor? Que lo están consiguiendo. ¿Y lo segundo mejor? Que está pasando AHORA, literalmente. Estas semanas de Julio de 2014 son precisamente la ventana temporal en la que será posible realizar el cambio de trayectoria. Los tanques de combustible contienen aún una reserva de ΔV de unos 150 m/s, suficiente para realizar la maniobra siempre que no se retrase demasiado… Agosto será ya demasiado tarde. Si no se consigue, la sonda volverá a pasar la Tierra de largo y habrá que esperar otro par de décadas o tres a que nos alcance de nuevo. Mientras escribo estas líneas, en este preciso instante, el equipo del proyecto está haciendo un debugging del sistema de propulsión de la sonda desde el radiotelescopio de Arecibo. ¿Se te ocurre algo más alucinante que esté ocurriendo en este momento? Seguro que sí 😉 pero esto, no está nada nada mal…

twitter status

Hasta el momento el equipo ha conseguido varios hitos importantes: comunicarse operativamente con la nave; ajustar los parametros y frecuencias de conexión a los valores óptimos; realizar una localización precisa de su posición utilizando las antenas de la DSN NASA, cuando ésta lo permite, lo que permite establecer las comunicaciones subsiguientes con mayor rapidez y fiabilidad; recibir telemetría de manera consistente y comprobar que los sistemas principales funcionan; y sobre todo enviar secuencias complejas de comandos y activar los propulsores para cambiar la velocidad de giro de la sonda, un paso previo necesario antes de la maniobra final.

Este último hito es muy importante ya que implica que el sistema propulsor de la nave está operativo, algo que teniendo en cuenta el traqueteo y edad de la nave no es moco de pavo… al menos parcialmente. No podía ser todo tan “sencillo” (realmente ninguno de los pasos ya conseguidos ha sido sencillo, pero sí exitosos hasta el momento) y tras lograr cambiar el giro de la sonda y completar la primera de las multiples secuencias de encendidos que componen la maniobra global, en la segunda secuencia algo falló y el cambio de dirección no se produjo en la forma esperada… de ahí el debugging del sistema de propulsión que hoy mismo (9 de Julio) que comentaba antes: el control de misión debe tratar de encontrar el origen del fallo sobre la marcha así, como una solución en los próximos días, utilizando sus conocimientos de los sistemas de la nave, y las ventanas de comunicación disponibles desde los distintos radiotelescopios a los que tienen acceso. Abro esta válvula, cierro esta otra, conecto los calentadores del combustible, enciendo un par de propulsores, compruebo la telemetría… Pura rutina 😛 ¿No es acaso una tarea apasionante?

Para los interesados, recomiendo encarecidamente seguir el twitter del proyecto @ISEE3Reboot donde en tiempo real van dando cuenta de todas las sesiones y pasos de la comunicación y control de la sonda, con una emoción digna de una final de campeonato del mundo. Permite que los profanos nos hagamos una ligera idea de lo que supone tratar de controlar y testear un ingenio semejante mientras viaja a cientos de miles de kilómetros de distancia. También es imprescindible la página oficial en Space College, con información más depurada y artículos más extensos. Por último, es muy interesante el vídeo de la presentación Communicating with a Space Probe using Software Defined Radio (aquí en PDF, y más descripciones del sistema de comunicaciones utilizado en How to Talk to a 36-year-old Space Probe (ISEE-3) with GNU Radio, a USRP, and a Big Dish) que, aunque hay muchos detalles técnicos solo aptos para entendidos, da una visión de conjunto del desarrollo y pasos necesarios, y sus complejidades, para hacer posible una hazaña semejante. Por último, es posible también consultar los datos de telemetría actualizados online en la página de AMSAT-DL.

Sin demasiado esfuerzo podríamos imaginar a un guionista de Hollywood retorciendo esta historia y pergeñando una trama tipo años 80, algo en plan Juegos de Guerra (War Games, 1983), donde sustituimos la sonda de la NASA construida para el estudio del viento solar por un satélite nuclear soviético a la deriva (¿quizás con algún tipo de IA chiflada?), y al equipo de expertos radioaficionados e ingenieros por un hacker adolescente de clase media norteamericana que con la antena parabólica de su televisión y un Commodore 64, intenta evitar que caiga sobre la costa este de EEUU mientras es perseguido por el KGB.

A mi, sinceramente, me apasiona mucho más la historia real. Sobre todo, no se la pierdan: está pasando.

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ACTUALIZACIÓN 10/08/2014

Finalmente no pudo ser. Los intentos por recuperar el control de la propulsión de la nave y cambiar su trayectoria para situarla de nuevo en el punto L1 no han tenido éxito. La causa más probable es que, por alguna razón desconocida, la reserva de nitrógeno de la nave se ha agotado. El nitrógeno a presión (pressurant) se utiliza para empujar el combustible (hidrazina) desde los depósitos a las cámaras de combustión de los distintos propulsores. Si no se dispone de nitrógeno, aunque haya combustible suficiente en los depósitos para realizar la maniobra, no es posible realizar los encendidos de los motores necesarios.

Aunque pueda ser un poco decepcionante, esto no significa ni que el proyecto haya terminado, ni mucho menos que haya sido un fracaso. En primer lugar, se alumbrado un nuevo concepto, el de ciencia ciudadana, y demostrado que mediante la combinación de muchos grupos distintos de aficionados (en el sentido de no remunerados) pueden conseguirse cosas tan alucinantes como el control de una sonda espacial. Porque realmente el control de la sonda se ha llevado a cabo, independientemente de si finalmente no hay gas suficiente como para cambiar su trayectoria.

En segundo lugar, se ha comprobado que los sistemas científicos de la nave siguen funcionando, por tanto el proyecto continúa como misión de ciencia interplanetaria, activando y monitorizando dichos sistemas de manera que se reciba, decodifique y haga pública la información científica que recoja la nave en su periplo, y que aún puede tener utilidad para distintos estudios. Asimismo, se están poniendo a punto sistemas de comunicación en diversos puntos del mundo para poder seguir manteniendo el contacto con ISEE-3 sin tener que pasar por Arecibo o la DSN, que ya están bastante solicitadas por muchos otros proyectos. Más detalles en la magnífica serie de artículos Susurros desde la ISEE-3 en el blog de Arturo Quirantes.

Finalmente, el proyecto a conseguido despertar un considerable entusiasmo en la comunidad mundial de aficionados a la exploración espacial y las telecomunicaciones, poniendo en contacto a grupos diversos de expertos y creando oportunidades de futuros proyectos distribuidos. ¿quién sabe lo que se podrá lograr en el futuro mediante la colaboración ciudadana? De repente, el espacio parece hoy un poco más cercano…

Hoy Domingo 10 de Agosto, ISEE-3 realizará su máxima aproximación a la Luna a las 20:16 hora peninsular, antes de alejarse de nuevo de las inmediaciones de la Tierra y emprender una nueva órbita alrededor del Sol (puedes seguir su trayectoria al momento en A Spacecraft for All). Pero esto no es un adiós, y gracias al proyecto ISEE-3 Reboot la sonda continuará siendo útil y enviando información a la Tierra, mientras sea posible recibirla; en definitiva, seguirá haciendo ciencia, que es para aquello para lo que fué concebida hace casi unas cuatro décadas. ¿Quién sabe si seguirá funcionando cuando dentro de otro par de décadas complete de nuevo su órbita y alcance a la Tierra otra vez?

Evaluación y pruebas de ISEE-3, Goddard Space Filght Center, 1976.

Evaluación y pruebas de ISEE-3, Goddard Space Flight Center, 1976.

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Publicado 9 julio, 2014 por bravido en Cosas que molan, Espacio, Guerra Fría, Historia

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