Lunar Prospector fue la tercera misión seleccionada por la NASA para su desarrollo y construcción completos como parte del Programa Discovery . [2] Con un costo de 62,8 millones de dólares, la misión de 19 meses fue diseñada para una investigación de la órbita polar baja de la Luna , incluyendo el mapeo de la composición de la superficie, incluidos los depósitos de hidrógeno lunar, mediciones de los campos magnéticos y gravitacionales , y el estudio de los eventos de desgasificación lunar. La misión finalizó el 31 de julio de 1999, cuando el orbitador se estrelló deliberadamente contra un cráter cerca del polo sur lunar , después de que se detectara con éxito la presencia de hidrógeno. [3] [4]
Los datos de la misión permitieron construir un mapa detallado de la composición de la superficie lunar y ayudaron a mejorar la comprensión del origen, la evolución, el estado actual y los recursos de la Luna. Varios artículos sobre los resultados científicos fueron publicados en la revista Science . [5] [6]
Lunar Prospector fue gestionada por el Centro de Investigación Ames de la NASA con el contratista principal Lockheed Martin . El investigador principal de la misión fue Alan Binder. Su relato personal de la misión, Lunar Prospector: Against all Odds , es muy crítico con la burocracia de la NASA en general y de sus contratistas. [7]
En 2013 se descubrió un objeto no identificado en una órbita inestable alrededor de la Tierra, al que se le asignó el número provisional WT1190F . Tras estrellarse en el océano Índico, se lo identificó probablemente como el inyector translunar del Lunar Prospector. [8]
La nave espacial era un tambor de grafito y epoxi de 1,36 m (4 pies 6 pulgadas) de diámetro y 1,28 m (4 pies 2 pulgadas) de alto con tres brazos radiales de instrumentos de 2,5 m (8 pies 2 pulgadas). Un brazo de extensión de 1,1 m (3 pies 7 pulgadas) en el extremo de uno de los brazos de 2,5 m sostenía el magnetómetro. La masa inicial total (completamente cargada de combustible) era de 296 kg (653 libras). Estaba estabilizado por giro (velocidad de giro nominal de 12 rpm) con su eje de giro normal al plano de la eclíptica. La nave espacial estaba controlada por seis propulsores monopropulsantes de hidracina de 22 newtons (dos en popa, dos en proa y dos tangenciales). Tres tanques de combustible montados dentro del tambor contenían 138 kg (304 libras) de hidracina presurizada con helio. El sistema de alimentación estaba compuesto por células solares montadas en el cuerpo que producían un promedio de 186 W y una batería recargable de NiCd de 4,8 A · h .
Las comunicaciones se realizaban a través de dos transpondedores de banda S , una antena de ganancia media ranurada y en fase para el enlace descendente y una antena omnidireccional de baja ganancia para el enlace descendente y ascendente. La computadora de a bordo era una Harris 80C86 (basada en la 8086 de Intel ) con 64 kilobytes de EEPROM y 64 kilobytes de RAM estática . Todo el control se realizaba desde tierra, la computadora enviaba cada comando a tierra para su verificación allí. Una vez que el comando se verificaba en tierra, un comando de "ejecución" desde tierra le indicaba a la computadora que procediera con la ejecución del comando. La computadora generaba datos de telemetría como una combinación de datos inmediatos y también leía desde un búfer de cola circular que permitía a la computadora repetir los datos que había leído 53 minutos antes. Este sencillo registrador de estado sólido garantizaba que se recibirían todos los datos recopilados durante los períodos de apagón de las comunicaciones, siempre que el apagón no fuera superior a 53 minutos.
La sonda también llevó una pequeña cantidad de los restos de Eugene Shoemaker (28 de abril de 1928 – 18 de julio de 1997), astrogeólogo [9] [10] y codescubridor del cometa Shoemaker-Levy 9 , a la Luna para un entierro espacial .
Tras su lanzamiento el 7 de enero de 1998 UT (6 de enero EST) a bordo de un cohete Athena II de cuatro etapas , Lunar Prospector realizó un crucero de 105 horas hacia la Luna. Durante el crucero, se desplegaron los tres brazos de instrumentos. El MAG y el APS recopilaron datos de calibración, mientras que el GRS, el NS y el ER desgasificaron durante un día, tras lo cual también recopilaron datos de calibración en el espacio cislunar . La nave se insertó en una órbita de captura de 11,6 horas alrededor de la Luna al final de la fase de crucero. Después de 24 horas, el Lunar Prospector fue insertado en una órbita intermedia con un período de 3,5 horas, seguida 24 horas más tarde (el 13 de enero de 1998) por una transferencia a una órbita de mapeo preliminar de 92 km × 153 km (57 mi × 95 mi) y luego, el 16 de enero, por inserción en la órbita de mapeo polar lunar nominal de altitud casi circular de 100 km (62 mi) con una inclinación de 90 grados y un período de 118 minutos. Los datos de calibración lunar se recopilaron durante las órbitas de 11,6 y 3,5 horas. La recopilación de datos de mapeo lunar comenzó poco después de que se alcanzara la órbita de 118 minutos. La recopilación de datos se interrumpió periódicamente durante la misión como estaba previsto para las quemas de mantenimiento orbital, que se llevaron a cabo para recircular la órbita siempre que el periseleno o el aposeleno estuvieran a más de 20 km (12 mi) a 25 km (16 mi) de la órbita nominal de 100 km; esto ocurrió aproximadamente una vez al mes. El 19 de diciembre de 1998, una maniobra redujo la órbita a 40 km (25 mi) para realizar estudios de mayor resolución. La órbita se modificó nuevamente el 28 de enero a una órbita de 15 km × 45 km (9,3 mi × 28,0 mi), poniendo fin a la misión principal de un año y comenzando la misión extendida.
La misión finalizó el 31 de julio de 1999 a las 9:52:02 UT (5:52:02 EDT) cuando el Lunar Prospector fue dirigido hacia una colisión deliberada en una zona permanentemente en sombra del cráter Shoemaker , cerca del polo sur lunar. Se esperaba que el impacto liberara vapor de agua de los presuntos depósitos de hielo en el cráter y que la columna de humo fuera detectable desde la Tierra; sin embargo, no se observó ninguna columna de humo.
La misión Lunar Prospector fue la tercera misión seleccionada por la NASA para su desarrollo completo y lanzamiento como parte del Programa Discovery de la NASA. El costo total de la misión fue de 63 millones de dólares, incluidos el desarrollo (34 millones de dólares), el vehículo de lanzamiento (unos 25 millones de dólares) y las operaciones (unos 4 millones de dólares).
La nave espacial llevaba seis instrumentos: un espectrómetro de rayos gamma , un espectrómetro de neutrones, un magnetómetro , un reflectómetro de electrones, un espectrómetro de partículas alfa y un experimento de gravedad Doppler. Los instrumentos eran omnidireccionales y no requerían secuenciación. La secuencia de observación normal consistía en registrar y transmitir datos de forma continua.
El espectrómetro de rayos gamma Lunar Prospector (GRS) produjo las primeras mediciones globales de espectros de rayos gamma de la superficie lunar, de las cuales se derivan las primeras mediciones "directas" de la composición química de toda la superficie lunar.
El GRS era un pequeño cilindro que estaba montado en el extremo de uno de los tres brazos radiales de 2,5 m (8 pies 2 pulgadas) que se extendían desde el Lunar Prospector . Consistía en un cristal de germanato de bismuto rodeado por un escudo de plástico borado. Los rayos gamma que golpeaban los átomos de bismuto producían un destello de luz con una intensidad proporcional a la energía del rayo gamma que era registrada por los detectores. La energía del rayo gamma está asociada con el elemento responsable de su emisión. Debido a una baja relación señal-ruido, se requirieron múltiples pases para generar resultados estadísticamente significativos. Con nueve pases por mes, se esperaba que tomara alrededor de tres meses estimar con confianza las abundancias de torio, potasio y uranio, y 12 meses para los otros elementos. La precisión varía según el elemento medido. Para U, Th y K, la precisión es del 7% al 15%, para Fe del 45%, para Ti del 20% y para la distribución general de KREEP del 15% al 30%. El escudo de plástico borado se utilizó para la detección de neutrones rápidos. El GRS fue diseñado para lograr una cobertura global desde una altitud de aproximadamente 100 km (62 mi) y con una resolución de superficie de 150 km (93 mi). [11]
El instrumento trazó un mapa de la distribución de varios elementos importantes en la Luna. Por ejemplo, el Lunar Prospector GRS identificó varias regiones con altas concentraciones de hierro. [12]
El objetivo fundamental del experimento GRS era proporcionar mapas globales de la abundancia de elementos en la superficie lunar. El GRS fue diseñado para registrar el espectro de rayos gamma emitidos por:
Los elementos más importantes que se pudieron detectar con el GRS fueron el uranio (U), el torio (Th) y el potasio (K), elementos radiactivos que generan rayos gamma de forma espontánea, y el hierro (Fe), el titanio (Ti), el oxígeno (O), el silicio (Si), el aluminio (Al), el magnesio (Mg) y el calcio (Ca), elementos que emiten rayos gamma cuando son alcanzados por rayos cósmicos o partículas del viento solar. El uranio, el torio y el potasio, en particular, se utilizaron para cartografiar la ubicación de KREEP (material que contiene potasio, tierras raras y fósforo, que se cree que se desarrolló en una fase tardía de la formación de la corteza y el manto superior y, por lo tanto, es importante para comprender la evolución lunar). El GRS también fue capaz de detectar neutrones rápidos (epitérmicos), que complementaron al espectrómetro de neutrones en la búsqueda de agua en la Luna.
Basándose en los datos del Espectrómetro de Neutrones Lunar Prospector (NS), los científicos de la misión han determinado que hay evidencia de hielo de agua lunar en los cráteres polares de la Luna, [13] un estimado de 3 mil millones de toneladas (800 mil millones de galones estadounidenses).
El espectrómetro de neutrones era un cilindro estrecho colocado junto con el espectrómetro de partículas alfa en el extremo de uno de los tres brazos radiales científicos del Lunar Prospector . El instrumento tenía una resolución de superficie de 150 km (93 mi). El espectrómetro de neutrones consistía en dos botes, cada uno con helio-3 y un contador de energía. Cualquier neutrón térmico que colisione con los átomos de helio proporciona una señal de energía que puede detectarse y contarse. Uno de los botes estaba envuelto en cadmio y el otro en estaño . El cadmio filtra los neutrones térmicos (de baja energía o de movimiento lento), mientras que el estaño no lo hace. Los neutrones térmicos son neutrones generados por rayos cósmicos que han perdido gran parte de su energía en colisiones con átomos de hidrógeno. Las diferencias en los recuentos entre los dos botes indican la cantidad de neutrones térmicos detectados, lo que a su vez indica la cantidad de hidrógeno en la corteza de la Luna en una ubicación determinada. Las grandes cantidades de hidrógeno probablemente se deban a la presencia de agua.
El NS fue diseñado para detectar cantidades minúsculas de hielo de agua que se creía que existían en la Luna. Era capaz de detectar hielo de agua a un nivel de menos del 0,01%. Para los estudios de hielo polar, el NS estaba programado para examinar los polos a 80 grados de latitud, con una sensibilidad de al menos 10 ppm por volumen de hidrógeno. Para los estudios de hidrógeno implantado, el NS estaba destinado a examinar todo el globo con una sensibilidad de 50 ppmv. La Luna tiene una serie de cráteres permanentemente sombreados cerca de los polos con temperaturas continuas de -190 °C (-310,0 °F). Estos cráteres pueden actuar como trampas de frío de agua de cometas y meteoroides entrantes. Cualquier agua de estos cuerpos que encontrara su camino hacia estos cráteres podría congelarse permanentemente. El NS también se utilizó para medir la abundancia de hidrógeno implantado por el viento solar .
El espectrómetro de partículas alfa (APS) era un cubo de aproximadamente 18 cm (7,1 pulgadas) ubicado junto con el espectrómetro de neutrones en el extremo de uno de los tres brazos radiales científicos de 2,5 m (8 pies 2 pulgadas) del Lunar Prospector . Contenía diez detectores de silicio intercalados entre discos de oro y aluminio dispuestos en cinco de los seis lados del cubo. Las partículas alfa, producidas por la desintegración del radón y el polonio, dejan rastros de carga en las obleas de silicio cuando impactan contra el silicio. Se aplica un alto voltaje al silicio y la corriente se amplifica al canalizarse a lo largo de los rastros hasta el disco de aluminio y se registra para su identificación. El APS fue diseñado para realizar un examen global de los eventos de liberación de gas y la distribución del polonio con una resolución de superficie de 150 km (93 mi) y una precisión del 10%.
El APS fue diseñado para detectar eventos de desgasificación de radón en la superficie de la Luna. El APS registró firmas de partículas alfa de la desintegración radiactiva del gas radón y su subproducto, el polonio . Se ha planteado la hipótesis de que estos supuestos eventos de desgasificación, en los que se liberan radón, nitrógeno y dióxido de carbono, son la fuente de la tenue atmósfera lunar y pueden ser el resultado de la actividad volcánica/tectónica de bajo nivel en la Luna. La información sobre la existencia, el momento y las fuentes de estos eventos puede ayudar a determinar el estilo y la velocidad de la tectónica lunar.
El APS se dañó durante el lanzamiento, lo que arruinó una de las cinco caras de detección. Además, debido a que la actividad de las manchas solares alcanzó su punto máximo durante la misión, los datos lunares se vieron oscurecidos por la interferencia solar. La información se recuperó finalmente restando los efectos de la actividad solar.
El Experimento de Gravedad Doppler (DGE, por sus siglas en inglés) fue el primer mapa polar a baja altitud del campo gravitatorio lunar. La misión Clementine había producido previamente un mapa de resolución relativamente baja, pero el DGE de Prospector obtuvo datos aproximadamente cinco veces más detallados: el "primer mapa gravitatorio verdaderamente operativo de la Luna". [14] Los beneficios prácticos de esto son órbitas más estables a largo plazo y una mejor eficiencia de combustible. Además, se espera que los datos del DGE ayuden a los investigadores a aprender más sobre los orígenes lunares y la naturaleza del núcleo lunar. El DGE identificó tres nuevas regiones de concentración de masa del lado cercano .
El objetivo del DGE Lunar Prospector era conocer la distribución de la masa superficial e interna de la Luna. Esto se logra midiendo el efecto Doppler en la señal de seguimiento de banda S cuando llega a la Tierra, que se puede convertir en aceleraciones de la nave espacial. Las aceleraciones se pueden procesar para proporcionar estimaciones del campo de gravedad lunar, a partir de las cuales se puede modelar la ubicación y el tamaño de las anomalías de masa que afectan la órbita de la nave espacial. Las estimaciones de la distribución de la masa superficial e interna brindan información sobre la corteza, la litosfera y la estructura interna de la Luna .
Este experimento proporcionó los primeros datos de gravedad lunar desde una órbita polar baja. Debido a que se requirió un seguimiento de la línea de visión para este experimento, solo se pudo estimar el campo de gravedad del lado cercano utilizando este método Doppler. El experimento fue un subproducto del seguimiento de banda S de la nave espacial , y por lo tanto no tiene requisitos de peso o potencia enumerados. El experimento fue diseñado para proporcionar el campo de gravedad del lado cercano con una resolución de superficie de 200 km (120 mi) y una precisión de 5 mGal (0,05 mm/s²) en forma de coeficientes armónicos esféricos de grado y orden 60. En la misión extendida, en la que la nave espacial descendió a una órbita con una altitud de 50 km (31 mi) y luego a 10 km (6,2 mi), se esperaba que esta resolución mejorara en un factor de 100 o más.
La señal de telemetría de enlace descendente se transmitió a 2273 MHz, sobre un ancho de banda de ±1 MHz como una señal polarizada circularmente de mano derecha a una potencia nominal de 5 W y una potencia pico de 7 W. Los enlaces ascendentes de comando se enviaron a 2093,0542 MHz sobre un ancho de banda de ±1 MHz. El transpondedor era un transpondedor de banda S Loral/Conic estándar. Se puede utilizar una antena omnidireccional para el enlace ascendente y descendente, o se puede utilizar una antena helicoidal de ganancia media (solo para el enlace descendente). Dado que la nave espacial estaba estabilizada por giro, el giro resultó en un sesgo en la señal Doppler debido al patrón de la antena de la nave espacial que gira con respecto a la estación terrestre de 0,417 Hz (27,3 mm/s) para la antena omnidireccional y de −0,0172 Hz (−1,12 mm/s) para la antena de ganancia media. Los datos LOS se muestrearon a los 5 segundos para tener en cuenta la velocidad de giro de la nave espacial de aproximadamente 5 segundos, dejando un residual de menos de 0,1 mm/s.
Los datos detallados recopilados han demostrado que, para la órbita lunar baja, las únicas órbitas estables o "congeladas " están en inclinaciones cercanas a 27º, 50º, 76º y 86º. [15]
El magnetómetro y el reflectómetro electrónico (en conjunto, MAG/ER) detectaron campos magnéticos superficiales anómalos en la Luna, que contrastan marcadamente con una magnetosfera global (de la que carece la Luna). El campo magnético general de la Luna es demasiado débil para desviar el viento solar , pero MAG/ER descubrió una pequeña anomalía superficial que puede hacerlo. Esta anomalía, de unos 100 km (62 mi) de diámetro, ha sido denominada por tanto como "el sistema de magnetosfera, magnetoscopía y arco de choque más pequeño conocido en el Sistema Solar". [16] Debido a esta y otras características magnéticas de la superficie de la Luna, el hidrógeno depositado por el viento solar no se distribuye de manera uniforme, siendo más denso en la periferia de las características magnéticas. Dado que la densidad del hidrógeno es una característica deseable para las bases lunares hipotéticas, esta información puede ser útil para elegir sitios óptimos para posibles misiones a la Luna a largo plazo.
El reflectómetro electrónico (ER) y el magnetómetro (MAG) fueron diseñados para recolectar información sobre los campos magnéticos lunares . La Luna no tiene un campo magnético global, pero sí tiene campos magnéticos débiles localizados en su superficie. Estos pueden ser restos paleomagnéticos de un campo magnético global anterior, o pueden deberse a impactos de meteoritos u otros fenómenos locales. Este experimento fue para ayudar a mapear estos campos y proporcionar información sobre sus orígenes, permitir un posible examen de la distribución de minerales en la superficie lunar, ayudar en la determinación del tamaño y la composición del núcleo lunar y proporcionar información sobre el dipolo magnético inducido lunar .
El ER determinó la ubicación y la fuerza de los campos magnéticos a partir del espectro de energía y la dirección de los electrones . El instrumento midió los ángulos de inclinación de los electrones del viento solar reflejados desde la Luna por los campos magnéticos lunares. Los campos magnéticos locales más fuertes pueden reflejar electrones con ángulos de inclinación mayores. Las intensidades de campo tan pequeñas como 0,01 nT se pudieron medir con una precisión espacial de aproximadamente 3 km (1,9 mi) en la superficie lunar. El MAG era un magnetómetro de compuerta de flujo triaxial similar en diseño al instrumento utilizado en Mars Global Surveyor . Podía medir la amplitud y la dirección del campo magnético a la altitud de la nave espacial con una resolución espacial de aproximadamente 100 km (62 mi) cuando las perturbaciones del plasma ambiental son mínimas.
El ER y el paquete electrónico estaban ubicados al final de uno de los tres brazos radiales científicos del Lunar Prospector . El MAG, a su vez, se extendía más sobre un brazo de 0,8 m (2 pies 7 pulgadas) (un total de 2,6 m (8 pies 6 pulgadas) desde el Lunar Prospector ) para aislarlo de los campos magnéticos generados por la nave espacial. Los instrumentos ER y MAG tenían una masa combinada de 5 kg (11 libras) y utilizaban 4,5 vatios de potencia.
