El telescopio solar Sunrise II aterriza en el ártico canadiense

El telescopio solar internacional Sunrise II aterrizó este pasado lunes 17 de junio a las 14:40h en la península canadiense de Boothia, tras un viaje de 5 días y 5 horas durante los cuales ha circunnavegado el Círculo Polar Ártico a una altura de 38 kilómetros sobre la superficie terrestre.

Sunrise II despegó el miércoles 12 de junio desde la Base Espacial de ESRANGE en Kiruna (Suecia) para realizar un detallado estudio del Sol desde su privilegiada posición en la estratosfera donde hay una baja densidad de aire y el Sol es visible las 24 horas del día, lo que ha permitido al instrumento español IMaX (Imaging Magnetograph eXperiment) liderado por el Instituto de Astrofísica de Canarias, la obtención de imágenes de altísima calidad de la superficie solar y de sus campos magnéticos, lo que permitirá conocer mucho mejor el funcionamiento de nuestra estrella.

Vuelo realizado por Sunrise II, desde Kiruna a Boothia pasando por Groenlandia

En Sunrise II volaba otro instrumento español llamado IRIS (Image Recorder Instrument for Sunrise) creado y desarrollado por los miembros del Proyecto Daedalus de la Asociación AstroInnova, un grupo de aficionados al espacio dedicado al lanzamiento de globos sonda y que ha conseguido por primera vez participar en una misión internacional de este tipo. Este instrumento completamente autónomo ha realizado una grabación en vídeo de alta definición de todo el vuelo usando tres cámaras que serán recuperadas por los equipo de rescate. El equipo de Proyecto Daedalus pudo finalizar la construcción y la instalación de IRIS en Sunrise II gracias a la colaboración de Citröen España.

El equipo de la Asociación AstroInnova – Citröen delante de Sunrise II

El aterrizaje en paracaídas se produjo en una zona despoblada del Ártico Canadiense a una velocidad de 5 m/s. La góndola que porta el telescopio de 1 metro y los instrumentos posee un sistema de amortiguación de impactos, aunque hasta que los equipos de rescate lleguen a la remota zona en los próximos días no podremos saber el estado del telescopio, así como de los instrumentos IMaX e IRIS.

Sunrise II es una misión internacional liderada por el Instituto Max Planck de Alemania, el Instituto de Astrofísica de Canarias, el Instituto de Astrofísica de Andalucía y el INTA de España y el High Altitude Observatory, el Columbia Scientific Balloon Facility y la NASA de los Estados Unidos entre otras instituciones.

Más información:

Proyecto Daedalus (Asociación AstroInnova)

Dossier Daedalus – AstroInnova

Proyecto Daedalus en Facebook

Citröen España

Instituto Max Planck

Instituto de Astrofísica de Canarias

Instituto de Astrofísica de Andalucía

Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial

High Altitude Observatory

CSBF – NASA

Sunrise II e IRIS ya vuelan hacia la estratosfera

Esta mañana a las 07:38 (hora española, 05:38 GMT) y tras una semana de aplazamientos por motivos técnicos y meteorológicos, ha despegado con éxito la misión Sunrise II con el instrumento IRIS de la Asociación AstroInnova a bordo. Esta misión internacional consta de un telescopio solar de 1 metro de diámetro que estudiará al Sol desde la estratosfera durante casi una semana.

Durante las próximas 3 horas el gigantesco globo de helio de 1 millón de metros cúbicos subirá hasta los 37 kilómetros de altura e irá sobrevolando el Ártico alrededor del Polo Norte para terminar su misión la próxima semana en las islas del norte de Canadá.

Lanzamiento Sunrise II. Imagen: equipo IMaX

En esta nueva misión de Sunrise, el telescopio podrá obtener imágenes de alta resolución del Sol en su estado de máxima actividad lo que permitirá comprender mejor los campos magnéticos implicados en su funcionamiento.

La Asociación AstroInnova, con el apoyo de Citröen España, aporta para este vuelo el instrumento IRIS (Image Recorder Instrument for Sunrise), un dispositivo de funcionamiento independiente que obtendrá imágenes en alta definición de toda la misión, tanto en vídeo como en fotografías con sus tres cámaras.

Sunrise II es una misión internacional liderada por el Instituto Max Planck y el Kiepenheuer Institute for Solar Physics de Alemania, el High Altitude Observatory, Lockheed-Martin Solar and Astrophysics Laboratory y Columbia Scientific Ballooning Facility de la NASA por parte de Estados Unidos y el Instituto de Astrofísica de Canarias, el Instituto de Astrofísica de Andalucía, INTA y GACE por parte de España.

Una noche como cualquier otra durante el desarrollo de IRIS (6)

En Roma, Italia. (Aitor)

Ya ha anochecido y las cuentas no salen. Se necesita más margen, no hay por dónde cogerlo, las baterías de IRIS irán demasiado frías y necesitará más potencia para suplir su deterioro durante la misión, un parámetro que no se había tenido en cuenta hasta hoy… Aitor abre una ventana de chat para contactar con David.

– David creo que necesitaremos una celda más para asegurar la misión. ¿Puedes revisar mis cálculos?

–  

 A 1532,34 km (aproximadamente), en Astorga, España. (David)

Tras recibir los datos por el chat, Aitor ya no parece responder ¿Por qué siempre suelta las cosas importantes y luego se esconde dejándome tareas por hacer? David saca el simulador de la placa que tendrá que integrar en unas semanas y la vuelve a poner a prueba con los nuevos datos. Efectivamente la simulación no deja lugar a dudas se necesita una celda más. Pero ¿dónde la metemos? ¿Por qué no está Miguel conectado?

David le envía un SMS.

Miguel revisa tu correo, necesitamos una celda más está confirmado. ¿Puedes ver si entra en la estructura? ¿Puedes actualizar el modelo 3D? ¡Es urgente!

A 4,29e+15 Å (aproximadamente), en Chillón, España. (Miguel)

¿Cómo que una batería extra? Pero si mañana enviamos los planos a la fábrica. Para una vez que parecía que podría meterme a la cama sin pensar en IRIS… Miguel enciende el ordenador y vuelve a cargar los modelos 3D. Esto es un Tetris sin solución.

Una hora más tarde Miguel se tranquiliza, ya ha tomado una decisión, hay que recortar la placa PCB de la CPU en 1mm y aumentar la anchura de la estructura en 4mm. Más trabajo para David y un ligero cambio para el resto, no mucho, ¿no?

Miguel prepara un email con los nuevos modelos y con las medidas. Para asegurarse llama a Rubén por teléfono.

Ola k ase, Mira, la estructura cambiará un pelín, mañana a la fábrica tendrás que llevar …

En ese momento a 6.62 × 10-12 Parsecs (aproximadamente), en Madrid (Rubén)

A Rubén le suena el teléfono justo cuando se metía en la cama. ¿Cómo que 4mm más? ¿Cómo que más potencia? Misión dormir abortada.

–  ¿Pero no te das cuenta que tengo que actualizar el modelo térmico antes de aceptar este cambio?

–  Eeee…

Rubén enciende el ordenador, hay que volver a hacer los cálculos térmicos y comprobar que la nueva estructura no se sobrecalentará con esos nuevos parámetros. ¿Por qué siempre tienen que cambiarme las cosas en el último minuto?

Media hora más tarde las cuentas parecen salir y Rubén envía un email de confirmación a todos, pero a penas pasados unos segundos recibe una llamada de Fernando…

–  ¿Has visto el email de Aitor?

–  ¿Qué email?

–  

Media hora antes a 0,00458 segundos luz (aproximadamente), en Roma (Aitor)

Mientras Rubén hace sus cálculos, Aitor revisa la documentación de Sunrise para ver si coincidirá con lo que envíe Rubén. Parece que una cosa más se ha pasado por alto. Aitor envía un email a todos preguntando si alguien tiene alguna idea de si es posible que en Sunrise se hayan confundido.

Chicos, ¿se os ocurre alguna idea por la cual en Sunrise hace 3 años midieron -5 grados de temperatura ambiente en vez de -30 grados?. Si esto se repite no necesitamos esa batería extra.

Mientras tanto a 9,56 x 1040 plancks (aproximadamente), en Córdoba (Pedro)

Pedro sigue toda la conversación de emails atónito, mañana tiene una reunión con un posible patrocinador y  le gustaría llevar el aspecto final de IRIS y no solo teorías como la última vez, encima hace días que espera algún artículo del resto para actualizar el blog. ¿Envío un email hoy de recordatorio o se me echarán encima como leones? ¿Por qué los “técnicos” de turno tienen que esperar siempre al último día para las malas noticias?

A 173.024 millas náuticas (aproximadamente), en Murcia (Fernando)

Fernando en cambio está enfadado, ¡es media noche! Tiene a toda la familia acostada en la cama. ¿Cómo que 4mm más? ¿Cómo que una celda extra más? Esto serán unos 100 gramos extra de peso, inconcebible, hay que contactar al equipo de Sunrise, ¿será aceptable? Y por otro lado ¿Cómo es posible que Sunrise en el 2009 midiera temperaturas tan altas en la estratósfera? ¿Es posible que nuestros modelos estén equivocados?

Tras una llamada a Rubén y varias consultas encuentran la respuesta, en el Círculo Polar Ártico las temperaturas son más suaves en la estratosfera durante el verano que en latitudes más bajas, ¡son buenas noticias! No necesitamos la celda extra, no hay cambio de planes, pero Rubén tiene que actualizar de nuevo sus cálculos térmicos antes de irse a la cama.

Fernando envía un email a todos con lo que ha encontrado junto con el modelo actualizado de Rubén:

Con el nuevo modelo estamos mucho más calientes de lo que esperábamos, no necesitamos la celda extra por tanto nos volvemos al modelo de ayer. Podemos dar por cerrado el asunto y todos a la cama. Mañana será un día importante para IRIS.

Y tras comprobar que su familia sigue durmiendo se mete a la cama con el buen sabor de boca de un día productivo, falsa alarma superada…

A 14666929,13 pulgadas (aproximadamente), en Madrid (Rubén)

Tras leer el email de Fernando, Rubén se mete finalmente a la cama, antes de apagar la luz le viene una duda existencial

– ¿Apago el móvil?

– ¡Apaga la luz! ¡Son las 2 de la mañana!

–  

A 2,03 × 10-6 UA (aproximadamente), en Astorga (David)

Mientras el resto se pelea por las baterías y las temperaturas, David mata el tiempo poniendo al día trabajo atrasado. Necesita caracterizar al milímetro el comportamiento individual de cada componente electrónico que viajará en IRIS para que no haya sorpresas durante la misión. Finalmente parece que no haya que cambiar el tamaño de la PCB por tanto no hay más que hacer por hoy.

Pero hay sorpresa, el componente consume casi el doble que el valor típico de las especificaciones. ¿Cómo es posible? ¡Oh no! La hoja de especificaciones era para un modelo anterior que ya no se produce. Bueno, no es mucho son apenas unos pocos miliamperios de más. Email a Aitor:

– Aitor, te envío las medidas del único elemento que nos faltaba por caracterizar, consume un poco más de lo esperado porque nos han enviado un modelo actualizado, el modelo viejo ya no está a la venta, pero no es mucha diferencia. Espero que no afecte a tus cálculos.

Y se mete a la cama con el buen sabor de boca de un día igualmente productivo.

A 7661,73 vasos de cerveza (aproximadamente), en Roma (Aitor)

Son las 3 de la mañana, justo antes de meterse a la cama llega el email de David. Bueno, son sólo 5 minutos para actualizar el modelo, la tentación es muy grande… no me dejaría dormir tranquilo

Media hora más tarde con los resultados en la mano a Aitor le tiembla el pulso. Tiene el teléfono en la mano. No sabe a quién dar las malas noticias primero…

Una noche como cualquier otra durante el desarrollo de IRIS…

The IRIS flight Team: (Visto desde el software de vuelo de IRIS)

–          Aitor Conde <aitorconde(at)gmail(punto)com>: Engineering & Design

–          Miguel A. Gomez <miguel.gomez(at)astroinnova(punto)com>: Structure, integration & cameras

–          David Mayo <mayo(at)sondasespaciales(punto)com>: Electronics & integration.

–          Pedro León <pedroleon(at)gmail(punto)com>: Outreach, social media, webmaster & contracts

–          Fernando Ortuño <fernando(at)sondasespaciales(punto)com>: Organization, logistics, relationships & conceptual design.

–          Ruben Raya <rubenraymor(at)gmail(punto)com>: Structure & Thermal analysis.

¿Cómo funciona IRIS? (5)

En el artículo anterior introducíamos las características, capacidades e instrumentos que volarán con IRIS, pero ¿Cómo funciona realmente IRIS?.

IRIS una vez puesto en marcha es un instrumento que puede funcionar al 100% de forma autónoma, y de hecho la mayor parte de su misión funcionará de esta manera. Sólo nos permiten comunicarnos directamente con la sonda en dos ocasiones antes del lanzamiento:

  • 24 horas antes del lanzamiento nos dejan encender IRIS o conectarle un cable para cambiar configuraciones en caso de aplazamientos o cambios de fecha para el lanzamiento.
  • 5 minutos antes de lanzar nos dan una ventana de 60 segundos para transmitir una señal de radio que le indique a IRIS que debe comenzar la misión.

Durante el resto de la misión IRIS será totalmente y 100% autónoma, tomando sus propias decisiones de cuándo comenzar y dejar de grabar vídeos y cuándo tomar fotografías.

IRIS va equipada con un receptor de radio a 433MHz para recibir la señal del lanzamiento, sin embargo no es capaz de transmitir señales, esto significa que no sabremos si en estos 60 segundos de ventana durante el lanzamiento, IRIS habrá recibido la señal. Es un momento crítico y por ello hemos ideado un sistema secundario de backup además de sobredimensionar el enlace radio (dimensionado a 2Km cuando estaremos a 200m). Si IRIS no es capaz de recibir nuestra señal por la razón que sea, IRIS se encendería si detecta que Sunrise ha comenzado el ascenso por medio del sensor de presión que en nuestro caso lo utilizamos a modo de altímetro.

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En esta imagen vemos a IRIS encendida con el día que finalizó su ensamblado antes de integrarlo en Sunrise

Para ahorrar baterías, la CPU de IRIS estará el 99% de la misión dormida. De hecho estimamos que el 20% de las baterías se utilizarán para alimentar la CPU durante la misión de 10 días. Para lograr estos bajos consumos la CPU hemos programado de una forma muy especial, normalmente y en momentos de tranquilidad IRIS se encenderá una vez cada 8 segundos y en menos de 100ms revisará el estado de todos los sensores, comprobará si hay acciones que debe tomar y se volverá a dormir. En algunos momentos de la misión estos 8 segundos serán reducidos, por ejemplo a 2 segundos cuando tenga que detectar la señal de encendido, o incluso 500ms entre el envío de comandos para accionar las cámaras.

Además IRIS apagará totalmente cualquier dispositivo que no tenga necesidad de usar. Por ejemplo el modem se apagará y no se volverá a encender nunca más una vez comience el ascenso a la estratósfera, la IMU permanecerá apagada durante el lanzamiento y las alimentaciones a las cámaras serán completamente interrumpidas (no solo apagadas, si no desenchufadas también) cuando no estén siendo utilizadas durante el vuelo.

Pero para que todo funcione de forma armoniosa y automatizada, es necesario que IRIS conozca su posición y la hora en todo momento. Inicialmente pensamos en llevar un GPS que nos ayudase en estas dos tareas, nos permitiría no solo saber la hora y la posición si no también la altura y velocidades para detectar el momento del aterrizaje, pero un GPS necesita demasiada energía para funcionar durante tantos días, y tampoco nos vale apagarlo y encenderlo pues mucha energía se perdería en esperar a que el GPS adquiriese la cobertura. Por todo ello hemos suplido el GPS utilizando un sensor de presión y un RTC (Real Time Clock). El RTC nos permite no perder la hora en IRIS incluso si está desenchufada, se trata del mismo sistema mediante el cual los ordenadores de sobremesa (y también portátiles) no pierden la hora al estar desenchufados, el RTC mantiene la hora gracias a una pila de botón. Y para suplir la deficiencia de no conocer la altura y la velocidad vertical, en IRIS hemos instalado un sensor de presión que utilizamos como altímetro. El consumo conjunto de estos dos sistemas es de un 0.1% en comparación a tener un GPS encendido.

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Foto desde la estratosfera de una misión de Proyecto Daedalus

Con respecto a las baterías ha sido otro punto crítico de la misión. Necesitamos mucha energía para lograr que las cámaras de alta definición puedan hacer vídeos de varias horas y centenares de fotografías, además las temperaturas extremas, hemos calculado que la temperatura de IRIS estará ligeramente por encima de los cero grados gracias a que estaremos siempre iluminados por el Sol, pero puede haber momentos en los cuales IRIS se encuentre a -40 grados Centígrados. Además, la capacidad de nuestras baterías es tan grande (llevamos casi 150Wh de baterías, un smartphone de última generación lleva unos 8Wh de batería) que es importante que las baterías no sean explosivas, hay que minimizar cualquier posible impacto con respecto al telescopio Sunrise. Por todas estas razones, hemos elegido baterías de Ni-Mh frente a las baterías de litio a pesar de que estas segundas tienen mayor densidad de energía y nos hubiesen permitido la misma energía en la mitad de espacio y peso.

Una vez IRIS comience el ascenso, realizará un vídeo con cada cámara hasta llegar a la altura de flotación. En ese momento IRIS apagará las cámaras y se pondrá en modo “vuelo”, que equivale a obtener fotografías de 5 megapíxeles durante los siguientes 10 días y a monitorizar los acelerómetros y el sensor de presión para detectar el comienzo del descenso.

El día que llegue el momento del descenso, la IMU detectará la caída libre y despertará a IRIS (que se encontrará seguramente dormida en su intervalo de siesta de 8 segundos) y encenderá las cámaras inmediatamente.

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Diagrama de funcionamiento de IRIS

Puesto que IRIS no se encuentra en el centro de masas de Sunrise, de hecho se encuentra en su extremo más alejado del mismo, es posible que las aceleraciones debidas a la rotación de Sunrise no nos permitan detectar la caída libre. En este caso, IRIS utilizaría de nuevo el sensor de presión como sistema de backup. Una vez que IRIS toque tierra, apagará los vídeos y continuará su funcionamiento realizando un timelapse en el cual debería captar a los equipos de rescate llegando para recogerla. Los equipos de rescate cuando encuentren a Sunrise procederán al apagado de sus equipos incluyendo el interruptor de IRIS.

¿Cómo es IRIS? Descripción y Objetivos (4)

Mucho hemos hablado de IRIS y sin embargo todavía no os la hemos presentado formalmente. Como todos sabéis IRIS es un pequeño instrumento que viajará a bordo del telescopio Sunrise a la estratósfera desde el Círculo Polar Ártico durante el próximo mes de junio. Sunrise es un telescopio científico orientado al estudio del Sol, sin embargo nuestro instrumento no hará ciencia (al menos no relacionada con la misión Sunrise) y la ciencia que obtendrá será de forma indirecta a través de sus sensores. La verdadera misión de nuestro instrumento es la de retratar el viaje de Sunrise como la aventura que realmente es todo el vuelo del telescopio. Por ello el acrónimo que elegimos para nuestro instrumento fue el de IRIS con su doble sentido y que significa (Image Recorder Instrument for Sunrise).

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IRIS se encuentra ya instalado en el telescopio Sunrise. Esta imagen es de hace apenas unos días.

 El objetivo de IRIS es por tanto retratar el lanzamiento y aterrizaje del telescopio con tres cámaras de alta definición además de hacer fotografías y timelapses durante todo el vuelo. Una tarea que aparentemente puede parecer sencilla pero que tiene un montón de problemas técnicos asociados entre ellos los puntos críticos a los que IRIS se ha enfrentado, los más importantes y que definen los límites de nuestra misión son:

  • Para facilitar la integración de IRIS a Sunrise, IRIS es un dispositivo autónomo, es decir, es 100% independiente de Sunrise. No podrá beneficiarse ni de las baterías, ni de los paneles solares ni de su telemetría para saber las fases del vuelo, lo único que une IRIS a Sunrise son 8 tornillos.
  • IRIS será encendida 24 horas del lanzamiento y no podrá ser comandada de ninguna forma desde ese momento, salvo por una pequeña ventana de 60 segundos antes del lanzamiento en los cuales nos dejarán transmitirle una señal de radio unidireccional para informar a IRIS de que empiece a grabar. Esto es para minimizar el riesgo de interferencias con Sunrise. Que la señal sea unidireccional implica que IRIS no transmitirá nada, no podremos saber si la hemos encendido de forma exitosa.
  • IRIS pasará más de una semana a 37Km de altura a 2 milibares y con temperaturas ambientales de -10 grados centígrados.
  • IRIS debe funcionar durante 10 días de forma autónoma.
  • IRIS será el único instrumento en Sunrise que volará con sus “tripas al aire”, es decir, el resto de instrumentos de Sunrise vuelan en cajas herméticas y funcionando a la presión del mar con temperaturas controladas. IRIS volará como vuelan los satélites, con la electrónica en el cuasi-vacío y con sistemas de disipación pasivos.
  • IRIS no puede tener partes móviles y debe poder aguantar hasta 10gs de aceleraciones (esperadas en el aterrizaje).

Para que IRIS lleve a buen puerto su misión, volará con los siguientes sensores:

  • 5 Sensores de temperatura: que monitorizarán las temperaturas de la CPU, de las baterías y de diferentes partes de su estructura.
  • 1 IMU (Unidad Inercial) que monitorizará la orientación y aceleraciones de IRIS en todo momento y que nos ayudará a  detectar los momentos más interesantes de la misión.
  • 1 Sensor de presión: Con la cual calcularemos la altura y velocidad vertical de IRIS y que también nos ayudará a detectar los momentos que queremos retratar de la misión.
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Gráficos de las medidas obtenidas por los sensores puestos a prueba en la cámara de vacío de INTA.

Además de sus instrumentos IRIS está compuesto en su interior por:

  • La CPU: cuyo cerebro es un ATmega2560 que se trata de un microcontrolador Atmel de 8 bits AVR de arquitectura RISC. Además lleva una tarjeta SD de 2 gigas para almacenar todos los eventos de la misión y sus sensores, junto con las fuentes de alimentación, un RTC etc. La PCB (placa) de la CPU y su software de vuelo las hemos creado y ensamblado nosotros.
  • Una batería de Ni-Mh con una capacidad de almacenamiento de 145Wh con un voltaje de 8.4V.
  • Tres cámaras HD GoPro Hero modificadas para ser controladas por la CPU.
  • Un modem RF de recepción en la banda de los 433Mhz.
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Representación 3D de IRIS antes de ser construida.

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Panel de conectores de IRIS

Por último IRIS tiene unas medidas de 21x21x14cm con un peso total de 2,56 kg incluyendo los soportes que la unen a Sunrise. Las 3 cámaras están orientadas  de forma perpendicular entre ellas con la intención de obtener imágenes del telescopio, del horizonte y del Sol.

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