Los magnetómetros de naves espaciales son magnetómetros utilizados a bordo de naves espaciales y satélites , principalmente para investigaciones científicas, además de detección de actitud . Los magnetómetros se encuentran entre los instrumentos científicos más utilizados en satélites de exploración y observación. Estos instrumentos fueron fundamentales para cartografiar los cinturones de radiación de Van Allen alrededor de la Tierra después de su descubrimiento por Explorer 1 , y han detallado los campos magnéticos de la Tierra , la Luna , el Sol , Marte , Venus y otros planetas y lunas. Hay misiones en curso que utilizan magnetómetros, [ ejemplo necesario ] incluidos los intentos de definir la forma y la actividad del núcleo de Saturno .
El primer magnetómetro a bordo de una nave espacial se instaló en la nave espacial Sputnik 3 en 1958 y las observaciones magnéticas más detalladas de la Tierra se han realizado con los satélites Magsat [1] y Ørsted . Los magnetómetros se llevaron a la Luna durante las posteriores misiones Apolo . Se han utilizado muchos instrumentos para medir la fuerza y la dirección de las líneas del campo magnético alrededor de la Tierra y el Sistema Solar .
Los magnetómetros de las naves espaciales se dividen básicamente en tres categorías: magnetómetros de compuerta de flujo, de bobina de búsqueda y de gas ionizado . Los complejos de magnetómetros más precisos de las naves espaciales contienen dos instrumentos separados, y un magnetómetro de gas ionizado de helio se utiliza para calibrar el instrumento de compuerta de flujo para obtener lecturas más precisas. Muchos magnetómetros posteriores contienen pequeñas bobinas en forma de anillo orientadas a 90° en dos dimensiones entre sí, formando un marco triaxial para indicar la dirección del campo magnético.
Los magnetómetros para uso no espacial se desarrollaron entre el siglo XIX y mediados del siglo XX, y fueron utilizados por primera vez en vuelos espaciales por el Sputnik 3 en 1958. Una de las principales limitaciones de los magnetómetros en el espacio es la disponibilidad de energía y masa. Los magnetómetros se dividen en tres categorías principales: el tipo de compuerta de flujo, el de bobina de búsqueda y el de vapor ionizado. El tipo más nuevo es el tipo Overhauser, basado en tecnología de resonancia magnética nuclear .
Los magnetómetros de compuerta de flujo se utilizan por su simplicidad electrónica y su bajo peso. Se han utilizado varios tipos de magnetómetros de compuerta de flujo en naves espaciales, que varían en dos aspectos. Básicamente, se obtienen mejores lecturas con tres magnetómetros, cada uno apuntando en una dirección diferente. Algunas naves espaciales han logrado esto girando la nave y tomando lecturas a intervalos de 120°, pero esto crea otros problemas. La otra diferencia está en la configuración, que es simple y circular.
Magnetómetros de este tipo fueron equipados en las misiones " Pioneer 0 "/Able 1, " Pioneer 1 "/Able 2, Ye1.1, Ye1.2 y Ye1.3 que fracasaron en 1958 debido a problemas de lanzamiento. Sin embargo, el Pioneer 1 recopiló datos sobre los cinturones de Van Allen. [2] En 1959, el soviético " Luna 1 "/Ye1.4 llevó un magnetómetro de tres componentes que pasó por la Luna en ruta a una órbita heliocéntrica a una distancia de 6.400 millas (10.300 km), pero el campo magnético no pudo evaluarse con precisión. [2] Finalmente, la URSS logró un impacto lunar con " Luna 2 ", un magnetómetro de tres componentes, y no encontró ningún campo magnético significativo en una aproximación cercana a la superficie. [2] Explorer 10 tuvo una misión abreviada de 52 horas con dos magnetómetros fluxgate a bordo. Durante 1958 y 1959, las misiones que llevaban magnetómetros tendieron a sufrir fallos: solo en la Able IVB se perdieron dos instrumentos . A principios de 1966, la URSS finalmente colocó la Luna 10 en órbita alrededor de la Luna con un magnetómetro y pudo confirmar la naturaleza débil del campo magnético de la Luna. [2] Las Venera 4 , 5 y 6 también llevaban magnetómetros en sus viajes a Venus , aunque no fueron colocados en la nave de aterrizaje.
La mayoría de los primeros magnetómetros fluxgate de las naves espaciales se fabricaron como sensores vectoriales. Sin embargo, la electrónica del magnetómetro creaba armónicos que interferían en las lecturas. Los sensores diseñados adecuadamente tenían electrónica de retroalimentación al detector que neutralizaba eficazmente los armónicos. Mariner 1 y Mariner 2 llevaban dispositivos sensores fluxgate-vectoriales. Solo Mariner 2 sobrevivió al lanzamiento y cuando pasó por Venus el 14 de diciembre de 1962 no pudo detectar un campo magnético alrededor del planeta. Esto se debió en parte a la distancia de la nave espacial respecto del planeta, al ruido dentro del magnetómetro y a un campo magnético venusiano muy débil. [2] Pioneer 6, lanzado en 1965, es uno de los 4 satélites Pioneer que orbitan alrededor del Sol y transmiten información a la Tierra sobre los vientos solares. Esta nave espacial estaba equipada con un solo magnetómetro fluxgate vectorial. [2]
Los magnetómetros de sensor de núcleo de anillo comenzaron a reemplazar a los magnetómetros de sensor vectorial con la misión Apolo 16 en 1972, donde se colocó un magnetómetro de tres ejes en la Luna. Estos sensores se utilizaron en varios satélites, incluidos Magsat , Voyager , Ulysses , Giotto y AMPTE. El Lunar Prospector -1 utiliza una bobina de anillo hecha de estas aleaciones extendidas una a una de la otra y de su nave espacial para buscar magnetismo remanente en la superficie "no magnética" de la Luna. [3] [4]
Los magnetómetros, correctamente configurados, son capaces de medir diferencias de campo magnético de 1 nT. Estos dispositivos, con núcleos de aproximadamente 1 cm de tamaño, eran de menor peso que los sensores vectoriales. Sin embargo, se descubrió que estos dispositivos tenían una salida no lineal con campos magnéticos mayores de >5000 nT. Más tarde se descubrió que la creación de una estructura esférica con bucles de retroalimentación de alambre transversales al anillo en la esfera podría anular este efecto. Estos últimos magnetómetros se denominaron magnetómetros de compuerta de flujo esférico o magnetómetros de núcleo esférico compacto (CSC) utilizados en el satélite Ørsted . Las aleaciones metálicas que forman el núcleo de estos magnetómetros también han mejorado desde la misión Apollo-16, y las últimas utilizan aleaciones avanzadas de molibdeno-permalloy , que producen menos ruido con una salida más estable. [5]
Los magnetómetros de bobina de búsqueda, también llamados magnetómetros de inducción, son bobinas enrolladas alrededor de un núcleo de alta permeabilidad magnética. Las bobinas de búsqueda concentran las líneas de campo magnético dentro del núcleo junto con las fluctuaciones. [6] La ventaja de estos magnetómetros es que miden el campo magnético alterno y, por lo tanto, pueden resolver los cambios en los campos magnéticos rápidamente, muchas veces por segundo. Siguiendo la ley de Lenz , el voltaje es proporcional a la derivada temporal del flujo magnético. El voltaje se amplificará por la permeabilidad aparente del núcleo. Esta permeabilidad aparente (μa) se define como:
.
La misión Pioneer 5 finalmente logró colocar un magnetómetro funcional de este tipo en órbita alrededor del Sol, lo que demostró que existían campos magnéticos entre las órbitas de la Tierra y Venus. [2] [7] Se orientó un solo magnetómetro a lo largo del plano perpendicular al eje de giro de la nave espacial. Los magnetómetros de bobina de búsqueda se han vuelto cada vez más comunes en los satélites de observación de la Tierra. Un instrumento comúnmente utilizado es el magnetómetro de bobina de búsqueda triaxial. Observatorio Geofísico Orbital (misiones OGO - OGO-1 a OGO-6 ) [8] [9] La misión Vela (satélite) utilizó este tipo como parte de un paquete para determinar si se estaba realizando una evaluación de armas nucleares fuera de la atmósfera terrestre. [10] En septiembre de 1979, un satélite Vela recogió evidencia de una posible explosión nuclear sobre el Océano Índico sudoccidental. En 1997, los EE. UU. crearon el FAST que fue diseñado para investigar los fenómenos de aurora sobre los polos. [11] Y actualmente está investigando los campos magnéticos en radios de 10 a 30 veces el de la Tierra con los satélites THEMIS. [12] THEMIS, que significa Historial temporal de eventos e interacciones a macroescala durante subtormentas, es un conjunto de cinco satélites que esperan recopilar una historia más precisa de cómo surgen y se disipan las tormentas magnéticas. [13]
Algunas naves espaciales, como el Magsat , están equipadas con magnetómetros escalares . La salida de estos dispositivos, a menudo en frecuencia de salida, es proporcional al campo magnético. El Magsat y el Grm-A1 tenían cabezales de sensor de vapor de cesio (cesio-133) de diseño de celda dual, este diseño dejaba dos pequeñas zonas muertas. El Explorer 10 (P14) estaba equipado con un magnetómetro de vapor de rubidio, presumiblemente un magnetómetro escalar ya que la nave espacial también tenía una compuerta de flujo. El magnetómetro se ensució accidentalmente, lo que provocó que se sobrecalentara, funcionó durante un período de tiempo, pero 52 h después de la misión la transmisión se cortó y no se recuperó. [14] El Ranger 1 y el 2 llevaban un magnetómetro de vapor de rubidio, no lograron alcanzar la órbita lunar. [2]
Este tipo de magnetómetro depende de la variación en la absortividad del helio, cuando se excita la luz infrarroja polarizada con un campo magnético aplicado. [15] Un magnetómetro vectorial de helio de campo bajo estaba equipado en la nave espacial Mariner 4 a Marte como la sonda Venus un año antes, no se detectó campo magnético. [16] Mariner 5 utilizó un dispositivo similar Para este experimento se utilizó un magnetómetro de helio de campo bajo para obtener mediciones triaxiales de los campos magnéticos interplanetarios y venusianos. Similar en precisión a los magnetómetros triaxiales de flujo controlado, este dispositivo produjo datos más confiables.
El magnetómetro Overhauser proporciona mediciones extremadamente precisas de la intensidad del campo magnético . El satélite Ørsted utiliza este tipo de magnetómetro para cartografiar los campos magnéticos sobre la superficie de la Tierra.
En la misión Vanguard 3 (1959) se utilizó un magnetómetro de protones para medir los campos geomagnéticos. La fuente de protones era el hexano. [17]
A diferencia de los magnetómetros terrestres, que pueden orientarse por el usuario para determinar la dirección del campo magnético, en el espacio el usuario está conectado por telecomunicaciones a un satélite que viaja a 25.000 km por hora. Los magnetómetros utilizados deben dar una lectura precisa rápidamente para poder deducir los campos magnéticos. Se pueden emplear varias estrategias: es más fácil girar una nave espacial sobre su eje que soportar el peso de un magnetómetro adicional. Otra estrategia es aumentar el tamaño del cohete o hacer que el magnetómetro sea más ligero y más eficaz. Uno de los problemas, por ejemplo, al estudiar planetas con campos magnéticos bajos como Venus, requiere un equipo más sensible. El equipo necesariamente tuvo que evolucionar para las tareas modernas de hoy. Irónicamente, los satélites lanzados hace más de 20 años todavía tienen magnetómetros en funcionamiento en lugares a los que hoy se tardaría décadas en llegar, al mismo tiempo que se utilizan los equipos más modernos para analizar los cambios en la Tierra aquí en casa.
Estos magnetómetros de compuerta de flujo simples se utilizaron en muchas misiones. En Pioneer 6 e Injun 1, los magnetómetros se montaron en un soporte externo a la nave espacial y se tomaron lecturas a medida que la nave espacial rotaba cada 120°. [18] Pioneer 7 y Pioneer 8 están configurados de manera similar. [19] La compuerta de flujo en Explorer 6 se montó a lo largo del eje de giro para verificar el seguimiento de las líneas de campo magnético de la nave espacial. Los magnetómetros de bobina de búsqueda se utilizaron en Pioneer 1 , Explorer 6, Pioneer 5 y Deep Space 1 .
Se montó un magnetómetro de dos ejes en el ATS-1 (Satélite de Tecnología de Aplicaciones). [20] Un sensor estaba en un brazo de 15 cm y el otro en el eje de rotación de la nave espacial (satélite estabilizado por rotación). El Sol se utilizó para detectar la posición del dispositivo montado en el brazo, y se pudieron calcular mediciones vectoriales triaxiales. En comparación con otros magnetómetros montados en brazos, esta configuración tenía una interferencia considerable. Con esta nave espacial, el Sol inducía oscilaciones magnéticas y esto permitió el uso continuo del magnetómetro después de que fallara el sensor solar . El Explorer 10 tenía dos magnetómetros de compuerta de flujo, pero técnicamente se clasifica como una técnica dual ya que también tenía un magnetómetro de vapor de rubidio.
El Sputnik -3 tenía un magnetómetro de compuerta de flujo vectorial , sin embargo, debido a que no se pudo determinar la orientación de la nave espacial, no se pudo determinar el vector de dirección del campo magnético. Se utilizaron magnetómetros de tres ejes en Luna 1 , Luna 2 , Pioneer Venus , Mariner 2 , Venera 1 , Explorer 12 , Explorer 14 y Explorer 15. Explorer 33 "sería" la primera nave espacial estadounidense en entrar en órbita estable alrededor de la Luna y estaba equipada con el magnetómetro más avanzado, un magnetómetro de compuerta de flujo triaxial montado en un brazo (GFSC) del tipo vectorial temprano. Tenía un alcance pequeño pero era preciso a una resolución de 0,25 nT. [21] Sin embargo, después de una falla del cohete, quedó en una órbita altamente elíptica alrededor de la Tierra que orbitaba a través de la cola electromagnética. [22]
La Pioneer 9 y la Explorer 34 utilizaron una configuración similar a la de la Explorer 33 para estudiar el campo magnético dentro de la órbita solar de la Tierra. La Explorer 35 fue la primera de su tipo en entrar en órbita estable alrededor de la Luna, lo que resultó importante porque con el sensible magnetómetro triaxial a bordo, se descubrió que la Luna efectivamente no tenía campo magnético, ni cinturón de radiación, y los vientos solares impactaban directamente en la Luna. [2] La Lunar Prospector estudió el magnetismo de la superficie alrededor de la Luna (1998-99), utilizando los magnetómetros triaxiales (extendidos). Con la Apolo 12 se colocaron magnetómetros mejorados en la Luna como parte del Módulo Lunar / Paquete de Experimentos de Superficie Lunar Apolo
(ALSEP). [23] [24] El magnetómetro continuó funcionando varios meses después de que partiera el módulo de retorno. Como parte del ALSEP del Apolo 14 , había un magnetómetro portátil.
El primer uso del magnetómetro de bobina de anillo de tres ejes fue en la misión Apollo 16 a la Luna. Posteriormente, se utilizó en el Magsat . La misión MESSENGER tiene un magnetómetro de bobina de anillo triaxial con un rango de +/- 1000 mT y una sensibilidad de 0,02 mT, aún en progreso, la misión está diseñada para obtener información detallada sobre la magnetosfera de Mercurio. [25] El primer uso de un magnetómetro esférico en configuración de tres ejes fue en el satélite Ørsted .
Cada tipo de magnetómetro tiene su propia "debilidad" incorporada. Esto puede resultar del diseño del magnetómetro a la forma en que el magnetómetro interactúa con la nave espacial, la radiación del Sol, resonancias, etc. El uso de un diseño completamente diferente es una forma de medir qué lecturas son el resultado de los campos magnéticos naturales y la suma de los campos magnéticos alterados por los sistemas de la nave espacial. Además, cada tipo tiene sus puntos fuertes. El tipo fluxgate es relativamente bueno para proporcionar datos que encuentran fuentes magnéticas. Uno de los primeros sistemas de técnica dual fue la misión abreviada Explorer 10 que utilizó un magnetómetro de vapor de rubidio y un magnetómetro de fluxgate biaxial. El helio vectorial es mejor para rastrear líneas de campo magnético y como magnetómetro escalar. La nave espacial Cassini utilizó un magnetómetro de técnica dual . Uno de estos dispositivos es el magnetómetro de fluxgate vectorial de bobina de anillo (RCFGM). El otro dispositivo es un magnetómetro de helio vectorial/escalar. [26] El RCFGM está montado a 5,5 m sobre un brazo de 11 m con el dispositivo de helio en el extremo.
El Explorer 6 (1959) utilizó un magnetómetro de bobina de búsqueda para medir el campo magnético bruto de la Tierra y el sensor de flujo de flujo vectorial [27] . Sin embargo, debido al magnetismo inducido en la nave espacial, el sensor de flujo de flujo se saturó y no envió datos. En futuras misiones se intentaría colocar magnetómetros más lejos de la nave espacial.
El satélite geológico terrestre Magsat también era de doble técnica. Este satélite y el Grm-A1 llevaban un magnetómetro escalar de vapor de cesio y magnetómetros fluxgate vectoriales. [28] [29] El satélite Grm-A1 llevaba el magnetómetro en un brazo de 4 metros. Esta nave espacial en particular fue diseñada para mantenerse en una órbita equigravitacional precisa, mientras tomaba mediciones. [30] Para fines similares al Magsat, el satélite Ørsted también utilizó un sistema de doble técnica. El magnetómetro Overhauser está situado en el extremo de un brazo de 8 metros de largo, para minimizar las perturbaciones de los sistemas eléctricos del satélite. El magnetómetro fluxgate CSC está ubicado dentro del cuerpo y asociado con un dispositivo de seguimiento de estrellas. Uno de los mayores logros de las dos misiones, las misiones Magsat y Ørsted, es capturar un período de gran cambio de campo magnético, con el potencial de una pérdida de dipolo o inversión de polos. [31] [32]
Las implementaciones más simples de magnetómetros se montan directamente en sus vehículos. Sin embargo, esto coloca al sensor cerca de posibles interferencias, como corrientes del vehículo y materiales ferrosos. Para trabajos relativamente insensibles, como "brújulas" (detección de actitud) en órbita terrestre baja , esto puede ser suficiente.
Los instrumentos magnetómetros más sensibles están montados en brazos largos, desplegados lejos de la nave (por ejemplo, las Voyager , Cassini ). Muchos campos contaminantes disminuyen entonces fuertemente con la distancia , mientras que los campos de fondo parecen inalterados. Se pueden montar dos magnetómetros, uno solo parcialmente debajo del brazo. Los campos de la carrocería del vehículo aparecerán entonces diferentes a las dos distancias, mientras que los campos de fondo pueden o no cambiar significativamente en esas escalas. Los brazos magnetómetros para instrumentos vectoriales deben ser rígidos, para evitar que aparezcan movimientos de flexión adicionales en los datos.
Algunos vehículos montan magnetómetros en apéndices existentes más simples, como paneles solares especialmente diseñados (por ejemplo, Mars Global Surveyor , Juno , MAVEN ). Esto ahorra el costo y la masa de un brazo separado. Sin embargo, un panel solar debe tener sus células cuidadosamente implementadas y probadas para evitar que se conviertan en un campo contaminante .
