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McMaster y la NASA se unen para crear mejores modelos del cambio climático – Brighter World

McMaster y la NASA se unen para crear mejores modelos del cambio climático – Brighter World

(De izquierda a derecha) Andrew Gadsden, Profesor Asociado, Ingeniería Mecánica; el estudiante graduado de Ingeniería Mecánica Alex McCafferty-Leroux; Andrew Newton, ingeniero de investigación.

El investigador de McMaster Andrew Gadsden y su equipo de expertos trabajaron con la NASA para construir una montura de telescopio robótico autónomo para ayudar a crear modelos más precisos del cambio climático.

La galardonada misión aerotransportada de irradiación espectral lunar 2021 de Robert H. Goddard, air-LUSI, enviará un telescopio volando a gran altura para medir la luz lunar reflejada con una precisión sin precedentes.

Estas medidas se utilizarán para mejorar los esfuerzos de calibración de los satélites de observación de la Tierra de la NASA.

Pero para asegurarse de que esas mediciones precisas sean más precisas, necesitan que el telescopio sea capaz de soportar altitudes elevadas, frío extremo y movimiento constante.

Aquí es donde entra el equipo de Gadsden.

Nombre clave: ARTEMIS

El medio robótico de primera generación que construyó el equipo de Gadsden, llamado ARTEMIS, abreviatura de Aautónomo, Robótico Yalcance METROcuenta Iinstrumento Ssubsystem – fue diseñado para asegurar que el telescopio permanezca enfocado en la Luna durante el vuelo.

El telescopio air-LUSI de la NASA se integrará en la montura, y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) y el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) usarán las medidas que recopila para ayudar a desarrollar modelos que se usan para ajustar Los satélites de observación de la Tierra de la NASA. Esta calibración ayudará a garantizar que los datos que recopilan sean extremadamente exactos y precisos.

¿Y por qué rastrear la Luna en primer lugar?

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Los datos de los satélites que registran las condiciones en la Tierra se ven afectados por la atmósfera, las condiciones locales y el clima.

Debido a que la Luna es relativamente estable y no se ve afectada por estos factores, su luz puede servir como referencia para los satélites de observación de la Tierra.

«Estos satélites, entre otros sensores y fuentes, son esenciales para estudiar nuestro planeta para predecir y rastrear con precisión las consecuencias del cambio climático», dice Gadsden, profesor asociado de ingeniería mecánica.

La NASA utilizará los datos recopilados por sus satélites de observación de la Tierra para comprender mejor lo que está sucediendo aquí en la Tierra. Este conocimiento se utilizará luego para construir modelos de cambio climático más precisos.

“Este proyecto se encuentra en la intersección de la ciencia y la ingeniería”, dice Gadsden. «Proporcionamos las herramientas de ingeniería para recopilar todos estos datos, y luego alimentamos los resultados a la ciencia para analizar los datos y comprender lo que significan y cómo iniciar cambios a partir de ellos».

Una maniobra complicada

Técnicamente, dice Gadsden, ARTEMIS no es una montura de telescopio ordinaria.

“Hay restricciones de rendimiento y diseño, restricciones físicas y restricciones ambientales”, dice Gadsden.

Para empezar, el telescopio para el que están construyendo esta montura volará a una altitud de alrededor de 70,000 pies y operará en el ala de un viejo avión espía de la era soviética.

Dado que el telescopio se despliega por encima de aproximadamente el 95% de la atmósfera terrestre, la montura también debe construirse para soportar temperaturas de alrededor de -60 grados centígrados.

Para remediar estos problemas, dice Gadsden, su montura fue construida internamente con un mecanismo de control de doble cardán que corrige el movimiento de la aeronave y la luna durante el vuelo, asegurando que el telescopio siga su objetivo en todo momento.

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Una estructura de acero rectangular con tubos que la atraviesan.
La montura ARTEMIS integrada en el telescopio IRIS del NIST durante una campaña científica en 2019. (Crédito de la foto: foto de la NASA/Ken Ulbrich)

La singularidad del sistema requiere que el diseño, el análisis, la creación rápida de prototipos y la fabricación se realicen internamente en McMaster.

«Hay mucho trabajo personalizado en esta montura», dice Andrew Newton, ingeniero de investigación en el laboratorio de Gadsden. “No está construido con componentes listos para usar. Casi todo está diseñado a medida.

«Este proceso realmente agiliza el desarrollo y nos da confianza de que lo que construimos va a funcionar».

hora

Hasta la fecha, el equipo de Gadsden ha volado su montura en más de 10 vuelos a gran altitud para probar su funcionalidad y confiabilidad.

Estas pruebas determinaron que ARTEMIS era muy efectivo en condiciones estables, pero su precisión fluctuó cuando la aeronave encontró turbulencia, lo que generó mediciones corruptas o inciertas.

“A 70.000 pies, el avión es bastante estable, por lo que el sistema de control no tiene que trabajar tanto”, dice Newton. «Pero cuando nos encontramos con turbulencias, el sistema de control no puede compensar eso».

Parte del problema, explica Newton, es que el telescopio llegó más pesado de lo que diseñaron sus actuadores.

Es por eso que el equipo de Gadsden está trabajando actualmente en un instrumento de segunda generación, llamado montura de telescopio HAAMR (High-Altitude Aircraft Mounted Robotic).

Una ilustración gráfica de un soporte de telescopio
Una representación del sistema HAAMR actualizado diseñado por el equipo de Gadsden

El nuevo diseño aborda varios problemas de rendimiento relacionados con el movimiento, dice Gadsden, y el equipo está trabajando para mejorar su respuesta de seguimiento durante las turbulencias.

“Aunque cumplimos con los objetivos iniciales de rendimiento de seguimiento, sabíamos que podíamos hacerlo incluso mejor, especialmente durante un vuelo turbulento”, dice Alex McCafferty-Leroux, estudiante graduado de ingeniería mecánica y miembro del equipo de Gadsden. . «Con nuestros cambios propuestos, deberíamos poder duplicar nuestra precisión de seguimiento y mantener el bloqueo del objetivo durante las partes accidentadas de los vuelos».

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HAAMR se entregará al equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. en Gaithersburg, Maryland, en julio, para la integración con su telescopio.

En enero, HAAMR se desplegará en el Centro de Investigación de Vuelo Neil A. Armstrong de la NASA (Palmdale, CA) para una campaña extendida de vuelos operativos de Air-LUSI.

Un mundo de posibilidades

El impacto científico del proyecto air-LUSI es ilimitado.

Con el potencial de crear modelos de cambio climático mucho más robustos basados ​​en mediciones más precisas, este modelo de calibración es de gran interés para las agencias espaciales europeas, estadounidenses y canadienses.

Y con mediciones más precisas, le esperan oportunidades aún más emocionantes.

«Con mejores datos, es posible aplicar el aprendizaje automático para predecir lo que sucede con nuestro planeta», dice Gadsden.

“La información recopilada por los satélites se utilizará para estudiar mejor la salud de nuestro planeta con el fin de proteger la biodiversidad y, por lo tanto, la salud humana”.