¿Cómo mide TWINS la temperatura y el viento en Marte?

La sonda InSight ya lleva unos soles en Marte y, por fin, ya hemos podido ver una imagen donde aparece el instrumento TWINS (Temperature and Winds for InSight). Recuerden, este instrumento es la colaboración española de la misión y proporcionará datos de viento y temperatura. Con los datos que proporciona, además de caracterizar el clima de Elysium Planitia podrá elegir los momentos adecuados para situar los instrumentos SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) y HP3 (Heat flow and Physical Properties Package) en superficie. También ayudará a descartar los falsos positivos de las ondas sísmicas debidas a las vibraciones provocadas por el propio InSight a causa del azote del viento.

Así que, antes de nada quiero mostrarles cómo luce el instrumento TWINS. Las imágenes han sido captadas por el instrumento IDC (Instrument Deployment Camera). Después les explicaré cómo TWINS toma las medidas de temperatura y viento ya que considero que es interesante conocer cómo se lleva a cabo este proceso. Y para terminar, les proporcionaré dos audios producidos en base a datos captados por InSight para que escuchen cómo sonaría el viento en Marte.

TWINS está sano y limpio en Marte

En las siguientes imágenes podrán apreciar los dos booms del instrumento TWINS. Los podrán encontrar rodeados por un círculo rojo. Y como ven, están en perfecto estado. En las imágenes también pueden apreciarse los paneles solares, que son circulares y se abrieron como un abanico. También verán el sismómetro SEIS, que es el hexágono color cobre que aparece en las dos imágenes. La cubierta protectora de SEIS es el óvalo plateado que también aparece en las dos imágenes. El instrumento HP3 es el cilindro oscuro que hay en la imagen de la izquierda. Del instrumento RISE puede verse una de las antenas en la imagen de la izquierda y está situada tras el boom de TWINS.

Izquierda: Imagen tomada el 7 de diciembre en el sol 10 de InSight a las 11:43:13 de tiempo solar medio. Derecha: Imagen tomada el mismo día y sol que la anterior, aunque fue capturada a las 11:31:30 de tiempo solar medio || Créditos: NASA/JPL-Caltech (Ver imágenes de InSight).

Ahora que ya han visto el aspecto de TWINS, y antes de explicar cómo toma sus medidas, me gustaría darles unas consideraciones previas.

Medir temperatura y viento en Marte: Consideraciones previas

Todo comenzó allá por 2005 cuando al equipo tecnológico del Centro de Astrobiología (CAB/CSIC-INTA) se le asigno la tarea de medir temperatura y viento marcianos. El objetivo era crear un instrumento que tomase, entre otros, esos datos. Producto de ello nació REMS (Rover Environmental Monitoring Station) para el rover Curiosity. Tiempo después, se proyectó una réplica de los booms, TWINS, para embarcarla en InSight. Sin embargo, para crear el instrumento se tuvieron que tener en cuenta varias consideraciones:

Masa y volumen del instrumento.
Energía de consumo.
Tecnología utilizada.
Entorno de operación.

Quiero describirles muy brevemente estas consideraciones ya que sin ellas, no se comprendería la totalidad de los instrumentos REMS y TWINS.

Masa y volumen del instrumento

Estas dos premisas te las impone la propia agencia espacial ya que tanto la masa como el volumen dedicados a una misión espacial son limitados. Cada gramo de instrumento y cada centímetro cúbico empleado es oro en una misión espacial. Por lo tanto, hay que estudiar cada línea, cada forma, cada sensor del instrumento para optimizarlo sin que pierda capacidades a la hora de realizar su trabajo. Así que en una misión espacial el tamaño importa: cuanto más pequeño, mejor.

Energía de consumo

Tan importante como el tamaño es la potencia consumida por el instrumento. Esto es así porque la energía que proporciona cada sonda es limitada. En todo momento la demanda energética por parte de los instrumentos no puede superar a la energía producida o almacenada en ese instante. Curiosity recibe la energía de un RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator). InSight la recibe de sus paneles solares.

Réplica de los booms de TWINS a bordo de InSight || Créditos: A. Pérez Verde.

Tecnología utilizada

En el diseño se debe considerar desde el primer momento la tecnología que se va a utilizar. De ella dependerá la forma, la masa, el volumen y la demanda energética de nuestro instrumento. Por lo que antes de diseñar el instrumento en sí, hay que tener claro la tecnología que vamos a embarcar. Afortunadamente en la Tierra conocemos varias alternativas para llevar a cabo la tarea de obtener datos de temperatura y viento. ¿Estos métodos sirven para Marte? Algunos sí. Por contra, otros no.

Entorno de operación

También hay que considerar el entorno de trabajo en el que va a operar nuestro instrumento. Tengan en cuenta que una estación medioambiental terrestre típica no sería viable en Marte. Los rangos de valores son muy distintos. Recuerden que en Marte las temperaturas oscilan entre los -125º C y, como mucho, los +10º C. Algo similar ocurre con los vientos. La atmósfera de Marte es unas 120 veces menos densa que la de la Tierra (8,50 hPa frente a 1013 hPa aproximadamente). Y eso, indudablemente, condiciona la forma de medir el viento.

Temperatura y viento en Marte. ¿Cómo los medimos?

Con estas premisas que, considero, debían conocer, pasemos a lo que realmente nos interesa. Veamos cómo medimos en Marte valores de temperatura y viento.

Midiendo temperatura

No les he hablado de un pequeño inconveniente que nos encontramos en Marte a la hora de medir temperaturas. Vean. Tanto en Curiosity como en InSight, también en el futuro rover Mars 2020, los sensores no se encuentran aislados como podemos tenerlos en la Tierra. Están situados sobre un robot que está caliente para mantener los instrumentos a una temperatura de operación adecuada. Dicho de otra forma, los sensores están dentro de una «burbuja de calor».

Conociendo esto, podemos ajustar nuestros datos con el objetivo de medir la temperatura atmosférica de Marte. Sería muy sencillo utilizar un termómetro, pero no es posible porque el volumen, la masa y el consumo lo harían inviable. Lo que se implementó para medir la temperatura es un conjunto de tres sensores dispuestos a lo largo de una pequeña varita. El conjunto se denomina ATS (Air Temperature Sensor). Con estos tres sensores es posible medir la evolución de la temperatura a través de esta varita. Utilizando los modelos de calor emitido por la propia sonda somos capaces de extrapolar esta evolución y medir la temperatura atmosférica externa a la burbuja térmica del robot.

Esquema del ATS (Air Temperature Sensor) empleado en REMS y en TWINS || Créditos: Rover Environmental Monitoring Station.

Midiendo dirección y velocidad del viento

Si están pensando utilizar la veleta y el anemómetro de cazoletas para medir dirección y velocidad del viento en Marte, ya les adelanto que no sirve. Al ser la atmósfera tan tenue, las cazoletas deberían ser enormes, y la veleta debería ser extremadamente larga para que se orientase al viento. Es inviable. La solución a la que se llegó fue la de crear un anemómetro térmico. Esta tecnología funciona con un principio conocido desde el siglo XIX, sin embargo, sus desarrollos no estuvieron lo suficientemente maduros hasta hace unos pocos años. Ahora, ya podemos embarcar esta tecnología en una misión espacial.

¿Qué es eso de la anemometría térmica? Puede sonarles extraño. Sin embargo, todos hemos experimentado el fenómeno físico por el que se rige. ¿Qué ocurre si cuando hace viento nos chupamos un dedo y lo levantamos? El viento nos enfría la parte del dedo que coincide con la dirección de la que procede. Eso es la anemometría térmica. En el caso del instrumento marciano, el «dedo mojado» está formado por tres subconjuntos de cuatro sensores cuadrados cada uno separados 120º. El conjunto se denomina WS (Wind Sensor). Los sensores están calentados a una temperatura conocida mediante una energía determinada y están programados para tener siempre la misma temperatura.

Detalle de uno de los subconjuntos de cuatro sensores para medir velocidad y sentido del viento situados en el rover Curiosity || Créditos: NASA/JPL-Caltech/MSSS (Ampliar imagen).

Cuando el viento enfría alguno o algunos de estos sensores, la energía empleada para que la temperatura se mantenga constante, aumenta. Y como sabemos la energía empleada por cada grado centígrado que queremos aumentar y dónde la estamos empleando, sabemos de dónde procede el viento y su intensidad. También conocemos la presión atmosférica a través del PS (Pressure Sensor) en Curiosity y APSS (*) en InSight. Entonces, relacionando la intensidad del viento y la presión atmosférica, podremos conocer la velocidad del viento.

(*) APPS (Auxiliary Payload Sensor Suite) es un conjunto de instrumentos formado por TWINS, IFG (InSight FluxGate magnetometer) y PS (Pressure Sensor).

Bonus Track: el sonido del viento marciano

Gracias a InSight hemos podido reproducir el sonido del viento marciano. Dos sensores de la sonda nos han proporcionado los datos. Por un lado, el sensor de presión de aire que forma parte del APSS. Por otro, el sismómetro SEIS, que todavía se encuentra en la plataforma de aterrizaje y está esperando ser puesto en superficie en las próximas semanas.

Antes de hablar de las detecciones, deben saber una cosa referente a la naturaleza del sonido. Independientemente en Marte o en la Tierra, el sonido es una onda que se propaga mediante cambios de presión. Es por esto que el sonido necesita un medio para propagarse. Aire, agua o madera por ejemplo; en el vacío no se propaga por ese motivo. El oído humano es capaz de detectar estos cambios de presión siempre que se encuentren en un rango comprendido entre las 20 y 20.000 oscilaciones por segundo, esto es, entre unas frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20.000 Hz.

Midiendo con APSS

El sensor de APSS detectó directamente las diferencias de presión atmosférica. Al recibir los datos en la Tierra, los científicos tradujeron estos cambios de presión a sonido. La frecuencia del sonido producido era de unos 10 Hz, inaudible para el ser humano. Para hacerla audible aceleraron la grabación en un factor de 100. De este modo la frecuencia pasó a tener valores alrededor de 1.000 Hz, perfectamente audible por el ser humano.

Los «sonidos» capturados por SEIS

La detección por parte del sismómetro es un tanto más compleja. Vean. El viento, al pasar tanto por encima como por debajo de los paneles solares, los hace oscilar como si fuera una bandera, aunque en menor medida. Estas oscilaciones provocan vibraciones en el módulo de aterrizaje que son recogidas por uno de los conjuntos de sensores del sismómetro SEIS. Las vibraciones fueron recibidas y traducidas a sonido. Eso sí, tuvieron que ser aumentadas en dos octavas, esto es, multiplicar por 4 su frecuencia. De esta forma, resultaba más sencillo de escuchar para el ser humano.

Aquí tienen los sonidos:

Sonido obtenido a partir de los datos del sensor de presión || Créditos: NASA/JPL-Caltech (Si no pueden escuchar el sonido, pueden escucharlo aquí).

Sonido obtenido a partir de los datos de SEIS || Créditos: NASA/JPL-Caltech (Si no pueden escuchar el sonido, pueden escucharlo aquí).

Además, las medidas de vibración que está capturando SEIS las usarán los científicos para cancelar las vibraciones de la plataforma de aterrizaje cuando el sismómetro está en la superficie permitiendo detectar mejor los posibles terremotos marcianos. Como ven, cualquier dato es útil para afinar la detección de terremotos marcianos. Pronto tendremos más datos…