Montaje de un mazo de cables para el espacio profundo

Europa Clipper de la NASA realizará 44 sobrevuelos de Europa, la cuarta luna más grande de Júpiter, a partir de abril de 2030. Foto cortesía de NASA

El mazo de cables del Europa Clipper consta de unos 2600 conductores y pesa 150 libras. Foto cortesía de NASA

Para ensamblar el arnés, APL construyó un dispositivo a escala real que coincidía con las superficies curvas del cuerpo de la nave espacial. El arnés no se pudo construir sobre un tablero de forma tradicional, porque estaría envuelto en una lámina de cobre. Foto cortesía de la NASA

En una sala limpia del APL, el arnés del módulo de propulsión del Europa Clipper se transfiere desde el dispositivo a la nave espacial. Foto cortesía de la NASA

Se carga un conjunto de sensor de instrumento de plasma en una cámara de vacío térmico para realizar pruebas en APL. La gran cantidad de cables visibles demuestra la intrincada configuración de la prueba. Foto cortesía de la NASA

Un técnico ajusta las conexiones eléctricas del espectrómetro de masas del Europa Clipper. Foto cortesía de la NASA

Con casi 10 pies de ancho, la antena de alta ganancia del Europa Clipper enviará datos científicos a la Tierra y permitirá a los controladores terrestres enviar comandos a la nave espacial. Foto cortesía de NASA

¿Cuál es el origen de la vida en la Tierra? ¿Hay vida en otros planetas?

Estas antiguas preguntas pueden finalmente ser respondidas cuando el Europa Clipper de la NASA realice 44 sobrevuelos de Europa, la cuarta luna más grande de Júpiter, a partir de abril de 2030. La nave espacial realizará un reconocimiento detallado de Europa e investigará si la luna helada podría albergar condiciones adecuadas para la vida. .

Europa, un poco más pequeña que la Luna de la Tierra, está formada principalmente por roca de silicato. Tiene una corteza de hielo de agua y probablemente un núcleo de hierro y níquel. Tiene una atmósfera muy fina, compuesta principalmente de oxígeno. Su superficie está estriada por grietas y vetas, pero los cráteres son relativamente pocos.

Europa tiene la superficie más lisa de cualquier objeto sólido del Sistema Solar. La aparente juventud y suavidad de la superficie han llevado a la hipótesis de que debajo de la superficie existe un océano de agua que posiblemente podría albergar vida extraterrestre.

La misión del Europa Clipper es averiguar si ese es el caso. El Laboratorio de Física Aplicada (APL) de Johns Hopkins en Laurel, MD, diseñó el cuerpo de Europa Clipper en colaboración con el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, CA, y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard en Greenbelt, MD.

Con una altura de 10 pies y 5 pies de ancho, la nave espacial es un cilindro de aluminio repleto de componentes electrónicos, radios, tubos de circuito térmico, cableado y el sistema de propulsión. Con sus paneles solares y otros equipos desplegables guardados para su lanzamiento, Europa Clipper será tan grande como un SUV; cuando se extienden, los paneles solares hacen que la nave tenga el tamaño de una cancha de baloncesto. Es la nave espacial más grande de la NASA jamás desarrollada para una misión planetaria.

El Europa Clipper, cuyo lanzamiento está previsto para octubre de 2024, está equipado con nueve instrumentos para estudiar el interior y el océano, la geología, la química y la habitabilidad de Europa. Los instrumentos estarán protegidos de la radiación por un escudo de titanio y aluminio de 150 kilogramos. Los instrumentos son:

El cuerpo principal del Europa Clipper se completó y se entregó al JPL en junio. Durante los próximos dos años, ingenieros y técnicos terminarán de ensamblar la nave espacial antes de probarla para asegurarse de que pueda resistir el viaje a Europa.

La estructura principal consta de dos cilindros de aluminio apilados con orificios roscados para atornillar la carga de la nave espacial: el módulo de radiofrecuencia, monitores de radiación, electrónica de propulsión, convertidores de potencia y cableado. El subsistema de radiofrecuencia alimentará ocho antenas, incluida una enorme antena de alta ganancia que mide 10 pies de ancho.

La bóveda electrónica de alta resistencia, construida para resistir la intensa radiación del sistema Júpiter, se integrará con la estructura principal de la nave espacial junto con los instrumentos científicos.

Dentro del cuerpo principal de la nave espacial hay dos tanques (uno para combustible y otro para oxidante) y los tubos que llevarán su contenido a una serie de 24 motores.

Conectar todos los instrumentos, paneles solares, equipos de comunicaciones y sistema de propulsión requiere mucho cableado. De hecho, el mazo de cables de la nave espacial consta de unos 2.600 conductores y pesa 150 libras. Si se extendiera, recorrería casi 2100 pies, más del doble del perímetro de un campo de fútbol, ​​dice Jacklyn Perry, supervisora ​​de sección para el desarrollo de arneses en el Sector de Exploración Espacial de APL.

Diseñar un mazo de cables para una nave espacial interplanetaria es más desafiante que diseñar un mazo de cables para un automóvil o incluso un avión.

Para empezar, está el problema de la radiación. Europa está en medio de los cinturones de radiación de Júpiter, dice Perry, quien trabajó como ingeniero principal para el arnés del módulo de propulsión del Clipper. Con cada órbita, la nave espacial estará expuesta a cada vez más radiación. Para poner su exposición en perspectiva, una radiografía de columna genera una dosis de radiación de menos de 0,2 rad. El mazo de cables del Clipper estará expuesto a 20 millones de rads.

Las partículas cargadas son otro problema. "Las partículas cargadas se acumulan en los aisladores, y un mazo de cables constituye un 85 por ciento de aislamiento", explica Perry, quien también ayudó a diseñar los arneses para la sonda solar Parker de la NASA, que actualmente orbita alrededor del Sol, y para la próxima misión Dragonfly, que planea aterrizar un helicóptero en Titán, la luna de Saturno, en 2034. “Esas partículas se acumularán hasta que, eventualmente, haya una descarga. En el mejor de los casos, las partículas se descargarán al suelo. En el peor de los casos, se descargarán en el cableado y explotarán los componentes electrónicos.

“Se necesita mucha protección para evitar que eso suceda. Sin embargo, los materiales que [resisten la radiación] son ​​terribles en un ambiente cargado, y los materiales que no acumulan una carga simplemente se desmoronan en [altas dosis de radiación]. Estábamos entre la espada y la pared”.

Al final, los ingenieros optaron por envolver el cableado con cinta de cobre y, en algunos puntos, incluso con plomo. "Eso no ayudó con nuestra masa total, pero ¿qué puedes hacer?" dice Perry.

Sin embargo, el lado positivo es que la envoltura de cobre también evitará posibles interferencias electromagnéticas entre las líneas eléctricas de la nave espacial y las líneas de telemetría.

También hubo que prever las temperaturas extremas. El Clipper estaría expuesto a temperaturas que oscilan entre -235 y 100 C. "Ese es un rango amplio para diseñar", dice. "Muchos materiales no están clasificados para esos extremos, por lo que hicimos muchas pruebas criogénicas".

Como todas las naves espaciales, la Clipper deberá soportar vibraciones considerables durante el lanzamiento. "Afortunadamente, ya se habían calificado muchos materiales de misiones anteriores", dice Perry. "Sin embargo, si no teníamos esos datos, teníamos que hacer muchas pruebas para asegurarnos de que sobreviviría al lanzamiento".

Si bien la nave espacial terminada pasará por pruebas acústicas y de vibración antes del lanzamiento, los ingenieros de APL optaron por realizar sus propias pruebas de vibración solo en el arnés.

De manera similar, el shock es otro factor que los ingenieros debían tener en cuenta. Para separar la nave espacial del cohete se necesitará una carga explosiva. “En el momento de la separación, el arnés sufrirá una carga de choque de 6.300 ga 10.000 hercios. Eso es un gran golpe”, señala Perry. “Probamos todas nuestras interfaces de conectores para asegurarnos de que no se desmoronaran. También probamos nuestros amarres”.

Un desafío más es el control de la contaminación. Dado que la nave espacial estará equipada con diversos equipos de imágenes, los ingenieros tuvieron que evitar la desgasificación de adhesivos, plásticos y lubricantes. "Cocinamos todo nuestro cableado antes del ensamblaje, porque una vez que colocas todas esas envolturas en el cableado, las moléculas tardarán una eternidad en escaparse", explica Perry. "Después del ensamblaje, también horneamos el arnés terminado, ya que agregamos adhesivo y otros materiales".

Los ingenieros también necesitaban prevenir la contaminación biológica. Un tratado internacional que data de los primeros días de la exploración espacial prohíbe a los países introducir microbios de la Tierra en otros mundos que puedan albergar vida. Durante el montaje, los ingenieros probaron periódicamente el arnés para detectar contaminación biológica. Además, el arnés terminado se horneó a 116 C durante 25 horas. Una vez que el arnés estuvo esterilizado, a partir de ese momento los técnicos debían usar ropa de sala limpia para trabajar en él.

“¡Estábamos enmascarados antes de que se pusiera de moda!” Perry bromea.

Con casi 10 pies de ancho, la antena de alta ganancia del Europa Clipper enviará datos científicos a la Tierra y permitirá a los controladores terrestres enviar comandos a la nave espacial. Foto cortesía de NASA

Uno de los desafíos de diseñar y ensamblar el mazo de cables del Clipper no tuvo nada que ver con la radiación extrema, el frío o los campos magnéticos. Fue geográfico. Con APL en la costa este, JPL en la costa oeste (y los paneles solares que Airbus está diseñando y construyendo en los Países Bajos), dialogar con colegas no siempre fue fácil. Cuando son las 8 de la mañana en la costa este, son las 5 de la mañana en la costa oeste y las 2 de la tarde en los Países Bajos.

"Hasta este proyecto, no apreciaba cuántas de las palabras que usábamos eran jerga específica de APL", admite Perry. "Si usaba una palabra para describir una parte o proceso específico, no era necesariamente la misma palabra que usaban nuestros socios, por lo que pasamos un par de meses dando vueltas sobre lo que queríamos decir y lo que querían decir ellos".

Una tecnología relativamente nueva, la realidad aumentada, fue fundamental para resolver los problemas de diseño. “Por ejemplo, estábamos intentando resolver un problema de aprovechamiento con uno de nuestros instrumentos. Existían algunas restricciones complicadas en el radio de curvatura y en el manejo que necesitábamos resolver. Con la realidad aumentada, podríamos tener una conversación al respecto sin tener que llevar a nadie a ninguna parte”, dice Perry.

Para ensamblar el arnés, APL construyó un dispositivo a escala real que coincidía con las superficies curvas del cuerpo de la nave espacial. "No pudimos construir el arnés sobre una tabla de encofrado porque estaría envuelto", explica Perry. “Si lo envolviéramos plano y luego intentáramos montarlo en esta configuración curva en la nave espacial, no habría funcionado. Necesitábamos envolver el arnés en la forma que tendría en la nave espacial”.

La realidad aumentada también ayudó en el montaje. Los técnicos podrían utilizar teléfonos inteligentes o tabletas durante el montaje para superponer imágenes del modelo CAD al montaje in situ. Podían activar o desactivar diferentes arneses o paquetes cada vez que surgiera una pregunta.

"A nuestros técnicos les encantó y lo vamos a utilizar en misiones posteriores", afirma Perry.

Después de hornear, el dispositivo se montó en un carro hecho a medida, que se colocó en su lugar y se elevó a su posición junto a la nave espacial. "El dispositivo le dio a la nave espacial un 'abrazo de aire'", explica. “Luego, lo transferimos con cuidado desde el dispositivo a la nave espacial. Nos detuvimos mucho para hablar sobre quién hace qué y cuándo. Hubo mucha coordinación. Todos tenían roles asignados. Teníamos amarres preinstalados para recibir el arnés”.