Este jueves, la ESA y Airbus proceden a revisar la fase de puesta en servicio de EarthCARE, que validará si todos los sistemas del satélite están operativos y funcionan correctamente en órbita. Se centrarán en el funcionamiento interno del instrumento más avanzado de EarthCARE y el único lidar (Light Detection And Ranging) atmosférico ultravioleta operativo del mundo, Atlid, diseñado y construido por Airbus.
Los datos de este instrumento son esenciales para que los científicos comprendan y controlen mejor el papel de los aerosoles y las nubes en el impacto del cambio climático a lo largo de los años. Su funcionamiento es relativamente sencillo: emite un pulso láser sobre una superficie y capta la luz que rebota y el tiempo que tarda el eco en volver se utiliza para medir la distancia hasta el objetivo. Pero aplicar esta tecnología en el espacio y a las necesidades científicas de la misión EarthCARE es otra historia, lo que llevó a los ingenieros de Airbus a desarrollar un lidar atmosférico que funciona con luz ultravioleta, porque la luz ultravioleta es la mejor longitud de onda para sondear los aerosoles en la atmósfera.
La mayoría de los instrumentos ópticos en el espacio son pasivos y toman imágenes de una escena iluminada por el Sol. Atlid es un instrumento «activo», lo que significa que la fuente de luz es el propio láser, que emite pulsos cortos. Estas ondas rebotan en la atmósfera y las nubes, creando ecos hechos de fotones que luego se recuperan.
Para analizar estos ecos débiles que provienen de partículas diminutas que flotan en la atmósfera, se necesitan sistemas de transmisión y recepción extremadamente potentes capaces de contar fotones individuales. Las cifras son asombrosas. “El lidar emite un pulso de luz y registra el eco 51 veces por segundo. Cada eco se atenúa en un factor de 1015, lo que significa que enviamos mil millones de veces un millón de fotones para capturar solo uno”, explica Géraud de Villele, responsable del sistema del instrumento Atlid de Airbus. Al final, el láser lidar Atlid recupera solo unos pocos cientos en el telescopio receptor.
Este retraso entre el momento en que se envía la onda y su retorno no es del orden de minutos o segundos, sino de milisegundos. “La luz recorre la distancia de 400 kilómetros hasta la atmósfera en poco más de un milisegundo, por lo que activamos la adquisición tres milisegundos después del pulso de emisión del láser y luego registramos con precisión el eco atmosférico como si estuviéramos cortando la atmósfera en un pastel vertical gigante con rebanadas de 100 metros de espesor”, explica de Villele.
Pero las capacidades de Atlid no se limitan al muestreo vertical de la atmósfera, sino que van mucho más allá. Este instrumento también analiza los pocos fotones que se retrodispersan desde cada porción de aire de la atmósfera. Permite cuantificar con precisión, dentro de esta retrodispersión, los aerosoles, gotitas o polvo emitidos por la contaminación atmosférica o por la naturaleza (arena, cenizas, etc.).
La luz láser lidar no atraviesa nubes espesas, pero puede evaluar la transparencia de los cirros tenues y brindar información sobre las cimas de las nubes. También mide la altura de las nubes y cómo se mueven en la atmósfera superior o inferior.
Atlid trabaja junto con otro instrumento, el radar de perfil de nubes (CPR), que puede penetrar más profundamente en las nubes. Los dos instrumentos son capaces de sondear la atmósfera y dar una idea de la profundidad, como un sonar en el océano. Es una primicia mundial tener estos dos instrumentos activos a bordo de EarthCARE, lo que permite una sinergia en tiempo real de sus mediciones.
La tecnología lidar se utiliza para muchas aplicaciones en la Tierra, desde recrear un espacio en 3D, como cuando un agente inmobiliario toma medidas exactas de las habitaciones dentro de una casa, hasta medir la altura de los bosques. Estos sistemas en la Tierra no suelen centrarse en las propiedades del eco de luz, sino más bien en la sincronización y no tienen que investigar un objetivo distante a 400 kilómetros de distancia.
Los requisitos para el uso del lidar en el espacio son mucho mayores. Como hay que analizar una señal a 400 kilómetros de distancia, se necesita una sensibilidad extra alta del sistema de detección. Además, la fuente láser debe funcionar las 24 horas del día, disparando cada 20 milisegundos, es decir, más de 4,3 millones de veces al día, sin posibilidad de mantenimiento una vez en el espacio.
Con su funcionamiento continuo, el láser disipa una gran potencia térmica y necesita una gran estabilidad. «Diseñamos e integramos un sistema de refrigeración que extrae el calor emitido por el láser y lo canaliza hacia un gran radiador que intercambia el calor con el frío en el espacio», explica de Villele. «Tiene que haber una cierta estabilidad térmica en el interior, alrededor de 0,5 grados, para evitar distorsiones relacionadas con problemas termoelásticos».
El desafío adicional es gestionar fuentes de alta disipación cerca de docenas de ópticas pequeñas que deben permanecer alineadas durante toda la misión con una precisión de micrómetros (una micra es una milésima de milímetro). Para no perder ningún precioso fotón capturado, el láser de emisión y el telescopio de recepción se mantienen alineados mediante un sistema de alineación automática.
En comparación con Aladin (el lidar utilizado en el satélite de perfilado del viento Aeolus de la ESA), Atlid es parte de la segunda generación de lidar, pero se han aprendido lecciones de su hermano mayor.
A diferencia de la mayoría de los instrumentos de los satélites, donde todas las unidades están expuestas al vacío, las unidades láser del instrumento Atlid están en una atmósfera presurizada. «Hay dos razones para ello. La primera es recrear la misma presión atmosférica que durante las pruebas en tierra. La segunda es evitar los efectos de la contaminación que podrían ennegrecer la óptica del láser UV de alta potencia expuesta al vacío», explica de Villele.
Además, el sistema óptico que recibe los ecos está separado del que emite los pulsos láser, y por tanto está protegido del alto flujo de potencia. “Atlid y Aladin abren la puerta a otros lidars espaciales. Estamos empezando a dominar la tecnología”, afirma François Chassat, director del proyecto Atlid de Airbus. “Los científicos buscan herramientas aún más precisas que puedan combinar mediciones de viento y aerosoles, una combinación inteligente de requisitos de la ciencia climática y necesidades más operativas para la previsión meteorológica”. Las primeras mediciones de Atlid ya están proporcionando una evaluación sin precedentes del impacto de las nubes en el clima.
