magnetómetro de nave espacial

Los magnetómetros de flujo magnético se utilizan por su simplicidad electrónica y su bajo peso. Se han empleado varios tipos de magnetómetros de flujo magnético en naves espaciales, que se diferencian en dos aspectos. Principalmente, se obtienen mejores lecturas con tres magnetómetros, cada uno apuntando en una dirección distinta. Algunas naves espaciales han logrado esto mediante la rotación de la nave y la toma de lecturas a intervalos de 120°, pero esto genera otros problemas. La otra diferencia radica 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 fallaron en 1958 debido a problemas de lanzamiento. Sin embargo, el Pioneer 1 sí recopiló datos sobre los cinturones de Van Allen. ^{[ 2 ]} En 1959, el soviético " Luna 1 "/Ye1.4 llevaba un magnetómetro de tres componentes que pasó la Luna en ruta a una órbita heliocéntrica a una distancia de 6400 millas (10 300 km) , pero el campo magnético no pudo ser evaluado con precisión. ^{[ 2 ]} Finalmente, la URSS logró un impacto lunar con " Luna 2 ", un magnetómetro de tres componentes, no encontrando un campo magnético significativo en el acercamiento cercano a la superficie. ^{[ 2 ]} El Explorer 10 tuvo una misión abreviada de 52 horas con dos magnetómetros de puerta de flujo a bordo. Durante 1958 y 1959, los fallos tendieron a caracterizar las misiones que llevaban magnetómetros: dos instrumentos se perdieron solo en Able IVB . A principios de 1966, la URSS finalmente puso en órbita alrededor de la Luna Luna 10 con un magnetómetro y pudo confirmar la debilidad del campo magnético lunar. ^{[ 2 ]} Venera 4 , 5 y 6 también llevaron magnetómetros en sus viajes a Venus , aunque no se colocaron en la nave de aterrizaje. 

núcleo anular y esférico

Los magnetómetros de flujo de núcleo anular comenzaron a reemplazar a los magnetómetros de sensor vectorial con la misión Apolo 16 en 1972, donde se instaló un magnetómetro de tres ejes en la Luna. Estos sensores se utilizaron en varios satélites, incluidos Magsat , Voyager , Ulysses , Giotto y AMPTE . La sonda Lunar Prospector -1 utiliza bobinas anulares hechas de estas aleaciones, extendidas y separadas entre sí y de su nave espacial, para buscar magnetismo remanente en la superficie "no magnética" de la Luna. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Configurados correctamente, los magnetómetros son capaces de medir diferencias de campo magnético de 1 nT. Estos dispositivos, con núcleos de aproximadamente 1  cm, eran más ligeros que los sensores vectoriales. Sin embargo, se descubrió que presentaban una salida no lineal con campos magnéticos superiores a 5000 nT. Posteriormente, se descubrió que la creación de una estructura esférica con bucles de retroalimentación de alambre transversales al anillo en la esfera podía anular este efecto. Estos últimos magnetómetros se denominaron magnetómetros de flujo magnético 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 Apolo 16, utilizando en su versión más reciente aleaciones avanzadas de molibdeno-permalloy , lo que produce menor ruido y 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 detectar cambios en los campos magnéticos rápidamente, muchas veces por segundo. Según 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:

${\displaystyle \ {\mu }_{a}={\frac {\mu }{1+N\mu }}}$.

La misión Pioneer 5 finalmente logró poner en órbita alrededor del Sol un magnetómetro funcional de este tipo, demostrando la existencia de campos magnéticos entre las órbitas de la Tierra y Venus. ^{[ 2 ] [ 7 ]} Un único magnetómetro se orientó 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 triaxial de bobina de búsqueda. 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 llevando a cabo una evaluación de armas nucleares fuera de la atmósfera terrestre. ^{[ 10 ]} En septiembre de 1979, un satélite Vela recopiló evidencia de una posible explosión nuclear sobre el suroeste del Océano Índico. En 1997, Estados Unidos creó el FAST , diseñado para investigar los fenómenos de auroras sobre los polos. ^{[ 11 ]} Y actualmente está investigando campos magnéticos a 10 a 30 radios terrestres con los satélites THEMIS ^{[ 12 ]} THEMIS, que significa Historia temporal de eventos e interacciones macroscópicas durante subtormentas , es una red de cinco satélites que esperan recopilar una historia más precisa de cómo surgen y se disipan las tormentas magnéticas. ^{[ 13 ]}

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 procesionales para medir los campos geomagnéticos. La fuente de protones era hexano. ^{[ 17 ]}

Estos sencillos magnetómetros de puerta de flujo 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 mientras la nave giraba cada 120°. ^{[ 18 ]} Pioneer 7 y Pioneer 8 están configurados de manera similar. ^{[ 19 ]} La puerta de flujo en Explorer 6 se montó a lo largo del eje de giro para verificar que la nave espacial estuviera siguiendo las líneas del campo magnético. Se utilizaron magnetómetros de bobina de búsqueda en Pioneer 1 , Explorer 6, Pioneer 5 y Deep Space 1 .

Se instaló un magnetómetro de dos ejes en el ATS-1 (Satélite de Tecnología Aplicada). ^{[ 20 ]} Un sensor estaba en un  brazo de 15 cm y el otro en el eje de giro de la nave espacial (satélite estabilizado por giro). Se utilizó el Sol 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 indujo oscilaciones magnéticas, lo que permitió el uso continuo del magnetómetro después de que fallara el sensor solar . El Explorer 10 tenía dos magnetómetros de puerta 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 puerta 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 iba a ser 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 puerta de flujo triaxial (GFSC) montado en un brazo, del tipo vectorial temprano. Tenía un rango pequeño, pero era preciso con 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 ]}

Las sondas Pioneer 9 y Explorer 34 utilizaron una configuración similar a la de Explorer 33 para estudiar el campo magnético dentro de la órbita solar de la Tierra. Explorer 35 fue la primera de su tipo en entrar en órbita estable alrededor de la Luna, lo que resultó importante porque, gracias al sensible magnetómetro triaxial a bordo, se descubrió que la Luna prácticamente no tenía campo magnético ni cinturón de radiación, y que los vientos solares la impactaban directamente. ^{[ 2 ]} La sonda Lunar Prospector estudió el magnetismo superficial alrededor de la Luna (1998-1999) utilizando magnetómetros triaxiales (extendidos). Con la misión Apolo 12, se instalaron magnetómetros mejorados en la Luna como parte del Módulo Lunar / Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo.

(ALSEP). ^{[ 23 ] [ 24 ]} El magnetómetro continuó funcionando varios meses después de que partiera ese módulo de retorno. Como parte del ALSEP del Apolo 14 , había un magnetómetro portátil.

El primer uso del magnetómetro de bobina anular de tres ejes fue en la misión lunar Apolo 16. Posteriormente, se utilizó en el Magsat . La misión MESSENGER tiene un magnetómetro de bobina anular triaxial con un rango de +/- 1000 mT y una sensibilidad de 0,02 mT, aún en desarrollo, la misión está diseñada para obtener información detallada sobre la magnetosfera de Mercurio. ^{[ 25 ]} El primer uso del magnetómetro esférico en configuración de tres ejes fue en el satélite Ørsted .

Cada tipo de magnetómetro tiene su propia "debilidad" inherente. Esto puede deberse al diseño del magnetómetro, a la forma en que interactúa con la nave espacial, a la radiación solar, a resonancias, etc. El uso de diseños completamente diferentes permite determinar qué lecturas son resultado de campos magnéticos naturales y cuáles son la suma de campos magnéticos alterados por los sistemas de la nave espacial. Además, cada tipo tiene sus ventajas. El magnetómetro de flujo magnético es relativamente bueno para proporcionar datos que permiten encontrar fuentes magnéticas. Uno de los primeros sistemas de doble técnica fue la misión abreviada Explorer 10 , que utilizó magnetómetros de flujo magnético biaxiales y de vapor de rubidio. El magnetómetro de helio vectorial es mejor para rastrear líneas de campo magnético y como magnetómetro escalar. La nave espacial Cassini utilizó un magnetómetro de doble técnica . Uno de estos dispositivos es el magnetómetro de flujo magnético vectorial de bobina anular (RCFGM). El otro dispositivo es un magnetómetro de helio vectorial/escalar. ^{[ 26 ]} El RCFGM está montado a 5,5 m de distancia en un brazo de 11 m con el dispositivo de helio en el extremo.

La misión Explorer 6 (1959) utilizó un magnetómetro de bobina de búsqueda para medir el campo magnético terrestre y un magnetómetro de flujo vectorial. ^{[ 27 ]} Sin embargo, debido al magnetismo inducido en la nave espacial, el sensor de flujo se saturó y no transmitió datos. Las misiones futuras intentarían colocar los 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 de vapor de cesio escalar y magnetómetros de puerta de flujo vectorial. ^{[ 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 ]} Con propósitos similares a los de 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 longitud, para minimizar las perturbaciones de los sistemas eléctricos del satélite. El magnetómetro de puerta de flujo CSC está ubicado dentro del cuerpo y asociado con un dispositivo de seguimiento de estrellas. Uno de los mayores logros de las dos misiones, Magsat y Ørsted, fue capturar un período de gran cambio en el campo magnético, con el potencial de una pérdida de dipolo o inversión de polos. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Las implementaciones más sencillas de magnetómetros se montan directamente en los vehículos. Sin embargo, esto expone el sensor a posibles interferencias, como las corrientes del vehículo y los materiales ferrosos. Para aplicaciones relativamente poco sensibles, como las brújulas (detección de actitud) en órbita terrestre baja , esto puede ser suficiente.

Los magnetómetros más sensibles se montan en estructuras rígidas y largas llamadas brazos, desplegados lejos de la nave (por ejemplo, las Voyager y Cassini ). Muchos campos contaminantes disminuyen considerablemente con la distancia , mientras que los campos de fondo permanecen inalterados. Se pueden montar dos magnetómetros, uno de ellos parcialmente extendido a lo largo del brazo. Los campos del cuerpo de la nave se verán diferentes a las dos distancias, mientras que los campos de fondo pueden o no variar significativamente en dichas escalas. Los brazos de los magnetómetros para instrumentos vectoriales deben ser rígidos para evitar que los movimientos de flexión adicionales aparezcan en los datos.

Algunos vehículos montan magnetómetros en apéndices más sencillos y ya existentes, como paneles solares diseñados especialmente (por ejemplo, Mars Global Surveyor , Juno , MAVEN ). Esto ahorra el coste y la masa de un brazo independiente. Sin embargo, las celdas de un panel solar deben estar cuidadosamente instaladas y probadas para evitar que se conviertan en un campo contaminante .