A navegação de uma nave espacial pelos céus foi comparada a navegar em um navio em alto mar ou dirigir um veículo em uma longa jornada de cross-country. São necessárias analogias, uma vez que a navegação de naves espaciais é realizada por uma amostra relativamente pequena da raça humana, e o trabalho geralmente envolve fazer coisas que nunca foram feitas antes. Aqueles de nós que têm dificuldade em entender um mapa aqui na Terra ficam admirados com o que esses navegadores celestes podem realizar.
Literalmente, isso é ciência de foguetes.
Em termos mais simples, a navegação da espaçonave implica determinar onde ela está e mantê-la no rumo do destino desejado. Mas não é tão fácil quanto ir do ponto A (Terra) ao ponto B (um planeta ou outro corpo em nosso sistema solar). Essas não são posições fixas no espaço. Os navegadores devem enfrentar os desafios de calcular as velocidades e orientações exatas de uma Terra em rotação, um destino de alvo em rotação e uma espaçonave em movimento, enquanto todos viajam simultaneamente em suas próprias órbitas ao redor do Sol.
Chris Potts, que ajudou a liderar as equipes de navegação dos Mars Exploration Rovers (MER), comparou os requisitos de destino do pouso do Spirit rover dentro de uma cratera específica em Marte para ser capaz de arremessar uma bola de basquete a uma distância de 15.000 milhas. "Você não só precisa fazer o arremesso perfeitamente sem que a bola toque o aro, mas o momento precisa ser perfeito, para que você faça o arremesso exatamente como a campainha toca", disse ele.
Ken Williams foi o chefe da equipe de navegação do retorno da missão Stardust de amostras primitivas de um cometa de volta à Terra. Para uma reentrada e pouso bem-sucedidos em um local preciso em Utah, a equipe de navegação teve que direcionar a entrada da cápsula de retorno para um ponto específico na atmosfera da Terra dentro de oito centésimos de grau, um feito que foi comparado a acertar os olhos de uma agulha de costura com um pedaço de linha do outro lado da sala.
A navegação é essencial para todas as missões robóticas e, embora o sucesso da missão se baseie no desempenho da equipe de navegação, os navegadores geralmente não são encontrados no centro das atenções, sentados no palco para uma conferência de imprensa. Normalmente, isso é reservado para os cientistas e designers da missão. Os navegadores, aparentemente, trabalham nos bastidores, manejando as trincheiras em relativo anonimato.
Mas tive a oportunidade de conversar com alguns navegadores de naves espaciais, aprendendo mais sobre seu trabalho e descobrindo as qualidades inatas daqueles que guiam nossa espaçonave para lugares além.
Neil Mottinger faz parte de inúmeras missões desde que começou a trabalhar no Laboratório de Propulsão a Jato em 1967. Ele ajudou em algumas das missões lunares e planetárias iniciais e desenvolveu alguns dos softwares que os navegadores ainda usam hoje.
Ouça minha entrevista com Mottinger na edição de 21 de agosto do podcast 365 Days of Astronomy.
Existem várias sub-disciplinas na navegação de naves espaciais, e uma das especialidades de Mottinger é a determinação da órbita. "A determinação da órbita é saber onde a espaçonave está e para onde está indo", disse Mottinger, que atualmente trabalha com a missão Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) e a próxima missão LCROSS (Observação da cratera lunar e satélite de detecção) na Lua. "Começa com a previsão da trajetória em que a sonda estará imediatamente após o lançamento, para que a Deep Space Network (DSN) saiba onde apontar sua antena e em que frequência esperar o sinal". O DSN consiste em uma rede de antenas de comunicações espaciais extremamente sensíveis em três locais: Goldstone, Califórnia; Madri, Espanha; e Canberra, Austrália. A colocação estratégica com aproximadamente 120 graus de distância na superfície da Terra permite a observação constante de naves espaciais à medida que a Terra gira.
Como não há GPS no espaço, os navegadores processam os dados de rastreamento radiométrico recebidos do DSN para determinar a posição e a velocidade da espaçonave. Eles também usam dados ópticos, onde a sonda fotografa o fundo da estrela para ajudar a refinar a trajetória da sonda.
Por muitos anos, Mottinger trabalhou com um grupo que forneceu suporte à navegação para o lançamento de mais de 100 naves espaciais. "Nunca me apeguei a nenhuma missão desde que, logo após o lançamento, passamos à próxima missão", disse Mottinger. Mas agora ele permanece com missões por mais tempo e está na missão de MRO há quase três anos. Mottinger está emocionado com os dados científicos que esta missão retornou. “Temos que fornecer previsões precisas de onde a espaçonave estará. Então os engenheiros sabem como orientar as naves espaciais para que os cientistas possam fazer suas observações ”, disse ele. “Se fizermos o nosso trabalho, os cientistas poderão ver um deslizamento de terra em Marte ou examinar áreas específicas do planeta. Se nossas previsões estiverem erradas, as câmeras serão apontadas na direção errada. A navegação é parte integrante de todo o processo de garantir o sucesso da missão. ”
Mottinger disse que normalmente não se pensa nos navegadores como cientistas, apenas como um meio para que os cientistas obtenham resultados. No entanto, às vezes subprodutos científicos vêm da navegação. O exemplo mais famoso envolveu a missão Voyager, quando a navegadora Linda Morabito descobriu um vulcão na lua Io de Júpiter, olhando imagens de navegação óptica. Nas missões do Lunar Orbiter, os navegadores perceberam que havia grandes concentrações de massa (agora chamadas de mascons) sob a superfície da lua que aceleravam naves espaciais em órbita.
Além disso, a ciência usada na navegação melhorou dramaticamente ao longo dos anos. "Quando você olha para os tipos de coisas que não entendíamos quando comecei, versus o que sabemos agora, é esmagador", disse Mottinger. Por exemplo, os navegadores agora podem criar modelos muito precisos de pressão solar - como as partículas da luz solar se empurram contra uma espaçonave e alteram sua trajetória - o que inclui não apenas como a luz solar é refletida em diferentes superfícies da espaçonave, mas também a re-radiação da energia absorvida pelos painéis solares e irradiava para fora.
Além disso, efemérides, as tabelas usadas pelos navegadores para obter as posições dos objetos astronômicos também melhoraram em precisão ao longo dos anos. "O diabo está nos detalhes", disse Mottinger. "A navegação está se tornando um jogo incrivelmente preciso."
Como muitos que trabalham no JPL, Mottinger gosta de conversar com escolas ou grupos comunitários para compartilhar a empolgação e as recentes descobertas da exploração espacial. "É importante estar lá fora, contando nossa mensagem para animar as pessoas com o que estamos fazendo", disse ele. "E o público tem o direito de se animar, porque está pagando a conta."
Há vários anos, Mottinger voltou para sua cidade natal, Oswego, Illinois, para conversar com os alunos sobre seu trabalho como navegador. Sentado na sala de aula, estava um jovem Chris Potts, que decidiu que a navegação na espaçonave era a carreira que ele queria seguir. Potts, que está no JPL desde 1984, era o vice-chefe da equipe de navegação da MER e agora trabalha com a missão Dawn, que está a caminho de orbitar dois asteróides, Ceres e Vesta.
A especialidade de Potts é o controle da trajetória de vôo. Isso envolve disparar o sistema de propulsão para alterar a velocidade ou a trajetória da espaçonave, conhecidas como Manobras de correção de trajetória (TCM). "Isso inclui entender as capacidades de controle da sonda e determinar quaisquer limitações", disse Potts. "Você determina quando vai disparar o sistema de propulsão, com que frequência e o objetivo de cada manobra. Você também precisa avaliar os requisitos de entrega, para ter certeza de que pode pousar em uma cratera em Marte, por exemplo, e minimizar os riscos ao longo do caminho. ”
O aspecto do design é a parte favorita do trabalho de Potts. "Você tenta desenvolver uma estratégia que junte todas as peças", disse ele. “Você precisa conversar com os cientistas da missão e entender quais são os requisitos deles e depois saber o que a espaçonave pode fazer. É como pessoas que têm um carro velho e estão no mercado há tanto tempo que sabem tirar o máximo proveito desse veículo. Tirar vantagem do que a espaçonave faz bem e contornar suas limitações alimenta o desenho de uma estratégia que reúne tudo para fazê-la funcionar. ”
Grande parte do trabalho de Potts envolve simulações e testes. "Vemos como a espaçonave se comporta e experimentamos diferentes estratégias para melhorá-la para a nossa situação", disse ele. "A seção de navegação possui toda uma 'caixa de ferramentas' de software que podemos usar".
A sonda Dawn usa um mecanismo de íons e é a primeira vez que Potts trabalha com um sistema de propulsão de baixo impulso. "É uma missão bem diferente", disse ele. “As preocupações são um pouco diferentes das outras missões, porque o impulso é muito eficiente. Uma das coisas com as quais você se preocupa é não ter tempo suficiente para fazer as correções necessárias. Embora o impulso seja baixo, com o tempo, ocorre uma mudança de velocidade e você está sempre projetando trajetórias e alterando comandos para garantir que o mecanismo de íons esteja disparando na direção certa. Se houver algum tipo de falha ou soluço na espaçonave ao longo do caminho, você precisará embaralhar e alguns eventos futuros poderão ter que ser movimentados. ” O amanhecer chegará a Vesta em 2011.
Potts gosta de fazer parte da empolgação de todas as diferentes missões da JPL. "Eu realmente gosto de trabalhar com algumas pessoas extremamente inteligentes e talentosas aqui e você pode definitivamente sentir a paixão pelo trabalho que eles fazem", disse ele. “Às vezes isso pode ser intimidador, mas você percebe que todo mundo tem seu próprio talento para oferecer, e todo mundo ajuda a levá-lo a fazer o seu melhor aqui. Temos um trabalho interessante, e é muito desafiador. Não há dois dias iguais.
Uma das recompensas de seu trabalho, disse Potts, é ver a fruição de seu trabalho aparecer em descobertas científicas. "Com o retorno da amostra da Stardust, ver a cápsula pousar exatamente onde deveria estar em Utah foi muito gratificante", disse ele. "E para ver os cientistas colocarem as mãos nesses dados e começarem a realizar suas investigações, você sente como eles estão empolgados e empolgados por finalmente trabalharem em sua ambição ao longo da vida".
Recentemente, os cientistas da Stardust anunciaram a descoberta de um aminoácido, um dos elementos básicos da vida, em uma amostra que a sonda retornou à Terra.
Potts e Mottinger trabalharam na missão Stardust, sob a liderança de Ken Williams. Williams trabalhou na JPL por vários anos, mas atualmente é empregado pela KinetX, uma empresa de engenharia privada especializada em tecnologia aeroespacial e desenvolvimento de software. Atualmente, o KinetX fornece suporte de navegação para a missão New Horizons em Plutão, bem como a missão MESSENGER (Geoquímica e Variação do Ambiente do Espaço de Superfície do Mercúrio) para Mercury, e Williams é o chefe da equipe de navegação do MESSENGER. Ao contrário de Mottinger e Potts, Williams nem sempre esteve envolvido em missões espaciais e sua carreira na navegação evoluiu de um background em física. Trabalhou no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins antes de trabalhar no JPL em 1994.
A parte favorita de Williams de ser um navegador é encontrar e resolver problemas técnicos interessantes. "É isso que me interessa", disse ele. “MESSENGER certamente tem vários deles. Voamos pela Terra uma vez, Vênus duas vezes e Mercúrio duas vezes. Teremos que voar por Mercúrio mais uma vez antes de finalmente entrarmos em órbita no quarto encontro. Encontrar uma trajetória que faça todas essas coisas com êxito é um problema técnico muito interessante, com o qual estou muito feliz por estar envolvido. Também temos que considerar todos os tipos de restrições, como manter a espaçonave apontada para longe do sol, para que os componentes não fiquem muito quentes. ”
Como chefe da equipe de navegação, Williams coordena todas as sub-disciplinas da determinação da órbita, controle da trajetória de vôo e navegação óptica, juntamente com as necessidades dos cientistas da missão em termos de observações quando encontram um planeta ou cometa.
Williams também gosta da alegria de estar no meio da ação em importantes missões espaciais. "Suponho que é como estar em uma batalha, ou em um jogo de basquete ou futebol", disse ele. “Você sente a emoção de ver os eventos se desenrolarem e responder a qualquer anomalia ou surpresa que surgir. E quando tudo estiver pronto, você terá uma enorme sensação de satisfação. ”
Suas experiências com o retorno da Stardust à Terra se destacam como um destaque. "Coordenar todo esse esforço e reduzir a sonda com sucesso foi provavelmente a experiência mais gratificante em todo o tempo em que estive na JPL", disse ele. “Em quase todas as missões em que trabalhei, houve um momento em que você tem um senso de euforia sobre ter a espaçonave no lugar certo, na hora certa. É uma sensação boa de ter. "
Embora deixar a JPL tenha sido uma decisão difícil, Williams gosta de suas experiências em uma empresa privada. "Teria sido fácil permanecer no JPL e ser o que eles chamam de 'barba cinza' em termos de experiência, mas depois da Stardust, gostei do desafio de liderar uma equipe de navegação e crescer em áreas técnicas", disse ele. "Eu pensei que haveria uma oportunidade melhor de fazer isso com uma pequena equipe em uma pequena empresa, e eu pensei que o KinetX era um bom lugar para fazer isso."
Muito pelo contrário de um "homem de barba cinza" é a navegador Emily Gist. Ela está no JPL há 4 anos e faz parte da equipe de navegação da missão Cassini em Saturno. Como Potts, ela trabalha no controle da trajetória de vôo, ajudando a planejar a trajetória e estimar a posição futura da espaçonave, além de controlar as correções necessárias para alcançar os objetivos da missão.
Ela sente grande satisfação por saber que está ajudando a facilitar a exploração. "O sistema saturniano é mais bonito do que a maioria imaginaria e mais diverso do que o conhecido anteriormente", disse ela. “As informações fornecidas pela Cassini nos iluminaram a todos. Mais especificamente, adoro o quanto aprendo todos os dias na JPL e trabalhando na Missão Cassini. ”
Como parte da "próxima geração" de navegadores, o Gist desfruta do ambiente desafiador que o JPL oferece. "Tivemos um Teste de prontidão para operações na Cassini, onde a equipe foi testada para ver como reagiríamos a uma falha ou falha na espaçonave em um ambiente operacional", disse ela. "Os engenheiros seniores não estavam em jogo, então a nova geração teve que descobrir por conta própria e fizemos um excelente trabalho. Isso me deixou orgulhoso de todas as pessoas com quem trabalho. Eles são pessoas verdadeiramente talentosas. ”
Gist disse que o gênero nunca foi um problema em seu trabalho como navegadora. "A JPL tem uma equipe maravilhosamente diversa e, embora não haja muitas navegadoras, não somos tratados de maneira diferente", disse ela. “Sou bastante tendencioso, mas acho que o que nos falta em quantidade compensamos em qualidade. Eu trabalho com algumas mulheres incríveis. ”
“Além disso, tenho a sorte de viver em uma época e sociedade em que, independentemente do sexo, é possível encontrar o que eles querem fazer e fazê-lo da melhor maneira possível. Adoro ser engenheira e o que tento transmitir às jovens é que elas podem amar o que quiserem, mesmo que seja matemática e ciências, sem medo de que seja um trabalho menos feminino ".
A pergunta mais difícil para todos os navegadores responderem foi se eles tinham a parte menos favorita do trabalho. Eles citaram os problemas usuais em qualquer trabalho: pouco tempo e muita papelada. E o estresse vem com o trabalho. "Os prazos, especialmente trabalhando no JPL, são muito reais", disse Potts. "Se você não está preparado para um evento crítico na missão, normalmente não tem uma segunda chance. Há muita coisa para fazer seu trabalho corretamente. "
Mas todos os navegadores enfatizaram a importância do aspecto da equipe em seu trabalho. "Você procura a qualidade inerente à equipe", disse Mottinger. “Eu tive um gerente de projeto que disse que uma equipe pega os erros uma da outra e que o todo é maior que a soma das partes. Tudo é feito com espírito de camaradagem, e não existe uma pergunta estúpida. ”
Mas buscar a atenção individual não parece estar na maquiagem de um navegador.
"Estou mais confortável trabalhando nos bastidores do que em uma entrevista", disse Potts. "Quando eu sei que cumpri meu trabalho e contribuí para o sucesso da missão, isso é suficiente para mim."
"Estou bem com meu trabalho por trás dos bastidores", acrescentou Gist. "No entanto, quando considero o trabalho que os engenheiros antes e ao meu redor fizeram, às vezes sinto que eles deveriam obter mais reconhecimento."
Williams sente que, em geral, o campo da navegação em si deve ter mais reconhecimento. "Acho que cientistas e pessoas que fazem sistemas puramente de hardware subestimam a dificuldade do que os navegadores precisam fazer", disse ele. “Seria bom se obtivéssemos mais reconhecimento de nossos colegas apenas do ponto de vista de poder influenciar como as missões são planejadas e projetadas para começar, para que os problemas de navegação possam ser resolvidos antes do lançamento e não nos resta apenas lidar com eles depois. lançamento. Sinto isso mais do que qualquer reconhecimento de minhas próprias realizações. ”
Williams disse que o que os navegadores fazem é mais uma forma de arte. "Não é redutível a um conjunto de algoritmos que podem ser armazenados a bordo de um sistema de vôo como potência ou propulsão, por exemplo. É refino constante. "
E os navegadores são incomodados pelas horas longas e estranhas que seu trabalho exige? "Não", disse Mottinger, "eu não trocaria por nada. Não há mais nada assim. "
