El experimento más simple y exitoso a bordo del Apolo 11

Cómo el retrorreflector láser lunar, todavía en funcionamiento 50 años después, acabó yendo a la luna

Cuando Neil Armstrong dio un pequeño paso hacia la superficie de la Luna hace 50 años, el logro fue un triunfo para la tecnología estadounidense, dándole a Estados Unidos el derecho de fanfarronear sobre su rival Unión Soviética en la Guerra Fría encarnizadamente disputada. Pero la carrera espacial también creó una carrera científica interna para determinar qué experimentos se realizarían a bordo de la primera misión que llevaría humanos a otro mundo.

Uno de los ganadores fue un dispositivo que permitió a los científicos medir la distancia entre nuestro planeta y su satélite con una precisión sin precedentes, un experimento que no sólo fue crucial para probar la relatividad general y comprender las sutiles oscilaciones de la luna mientras gira sobre su propio eje, sino también También fue sorprendentemente simple en comparación con la inmensa complejidad de la misión general.

En 1963, James Faller se unió al Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA) de la Oficina Nacional de Estándares y la Universidad de Colorado, Boulder. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton, a fines de la década de 1950, había escrito un artículo titulado “Un paquete lunar propuesto: un reflector de esquina en la Luna”, en el que imaginaba un reflector liviano y duradero que pesaba sólo entre dos y tres libras y que se desplegaría en la Luna. luna. Un rayo de luz procedente de la Tierra apuntaría al reflector; el instrumento detectaría el láser y reflejaría la luz de regreso a la Tierra. El tiempo que le tomó a la luz hacer el viaje de ida y vuelta desde la Tierra a la Luna y viceversa, escribió, “permitiría realizar una medición precisa de la distancia Tierra-Luna”.

Le entregó su trabajo de investigación a su profesor, Robert Henry Dicke, un físico que había hecho importantes contribuciones a los campos de la astrofísica, la física atómica y la gravedad. Cuando entregó su trabajo, Faller escribió a mano en la parte superior: “Profesor Dicke, ¿podría ver si esto tiene algún sentido?”

Menos de una década después, el mundo sabría cuán reveladora había sido la propuesta de Faller. Junto con sus colegas de JILA, Jan Hall y Peter Bender, formó un equipo de exploración lunar para explorar la viabilidad de colocar un retrorreflector en la Luna. No había garantía de que el experimento realmente funcionara: otros grupos estaban desarrollando propuestas competitivas con la esperanza de ser seleccionados para el histórico viaje de Apolo.

Pero la suerte, junto con los estrictos requisitos de la NASA en cuanto a tamaño, peso, velocidad y simplicidad, le dio al reflector una ventaja. Los funcionarios de la NASA creían que el Apolo 11 tenía un alto riesgo de aborto después del aterrizaje, por lo que cualquier experimento debía configurarse y desplegarse en 10 minutos. Faller recordó: “Los astronautas tuvieron un tiempo limitado para pasar en la superficie lunar para posicionar el conjunto apuntando hacia la Tierra. En otras palabras, el reloj nos salvó”.

Un retrorreflector de cubo de esquina, o mejor dicho, una serie de ellos, ofrecía un diseño ideal. En teoría, un solo espejo ordinario habría funcionado, pero siempre tendría que apuntar precisamente al punto donde se había originado la luz entrante, de modo que el haz de luz se reflejaría directamente de regreso a la fuente para poder sincronizarlo. Sin embargo, debido a la rotación de la Luna sobre su propio eje y su rotación alrededor de la Tierra, esta alineación perfecta ocurriría sólo en raras ocasiones, e incluso entonces, un pequeño error al apuntar daría como resultado que la luz regresara a un punto diferente. Pero estos reflectores estarían hechos de tres espejos, colocados exactamente en ángulo recto entre sí, como la esquina interior de una caja de cartón. Este diseño obliga a la luz entrante a rebotar en tres superficies y las leyes de la óptica garantizan que siempre rebotará directamente hacia la fuente.

Mientras el experimento de Faller estaba recibiendo el visto bueno de la NASA, había un paso más crucial: encontrar a alguien que proporcionara el conjunto de espejos reflectores especializados para hacer posible el alcance. Una ventaja para nuestra empresa, Heraeus, era que se sabía que el cuarzo fundido que fabricábamos tenía la mayor pureza, lo que lo hacía resistente a cualquier radiación ionizada que haría que el vidrio normal se oscureciera mientras envejecía en el espacio exterior. La alta pureza también minimizaría la absorción, así como las burbujas e inclusiones que crean pequeñas lentes o microreflectores que podrían provocar que la luz se refleje incorrectamente.

El reflector debía cumplir los estrictos estándares de calidad de la NASA. Tenía que funcionar sin problemas. Y la empresa tuvo que comprometerse por escrito a que duraría un mínimo de 10 años en el duro entorno del espacio.

Quedaba una última pregunta: estábamos en los años 60 y Heraeus era una empresa alemana. La Segunda Guerra Mundial había terminado apenas dos décadas antes. ¿Afectaría esto el proceso de selección? Faller visitó personalmente las instalaciones de Heraeus en Hanau, Alemania, en 1968. Los ejecutivos de la empresa se enteraron de que las matrices de sílice fundida estaban en manos de dos empresas: Heraeus y General Electric.

Hoy Faller admite que nunca fue a GE. En Heraus tuvimos la suerte de que el mensaje que recibió de la NASA fuera claro: la consideración primordial tenía que ser la calidad para garantizar el éxito experimental.

Y al final, el experimento fue un gran éxito.

La suerte, o la falta de ella, influyó en los días posteriores al desembarco. En el Observatorio Lick de la Universidad de California, Faller y su equipo de científicos y estudiantes inicialmente encontraron dificultades porque el Apolo 11 aterrizó a millas de distancia de su lugar de aterrizaje esperado. La luna también estaba demasiado baja en el cielo para permitir el alcance sin atravesar una buena parte de la atmósfera terrestre.

La medición se reanudó el 1 de agosto cuando la luna se posicionó más favorablemente en el cielo. En estas condiciones, el láser fue disparado 162 veces antes de que se reconociera cualquier retorno del conjunto lunar. La serie final de 120 disparos de rayo láser, después de algunos ajustes, arrojó 80 retornos detectados.

A diferencia del “gran salto” de Neil Armstrong, el progreso del equipo de medición se midió en saltos más pequeños y modestos. El 1 de agosto, Faller y el equipo de medición, con una precisión de 0,1 microsegundos, habían establecido la distancia a la Luna con un solo disparo de ocho metros de precisión, en comparación con una precisión de unos 1.200 metros medidas con radar a finales de los años cincuenta.

Dos días después, lo mejoraron a seis metros. Finalmente, la precisión se redujo a un solo milímetro.

Los experimentos con retrorreflectores láser lunares (también fueron realizados por los astronautas de los Apolo 14 y 15) siguen siendo algunos de los logros científicos más importantes de las misiones Apolo y contribuyen a nuestra comprensión de todo, desde la relatividad general hasta la estructura interna de la Luna. El primer reflector sigue siendo el único equipo que sigue funcionando en el lugar de aterrizaje del Apolo 11.

Pero como recordó recientemente Jim Faller, los acontecimientos del primer alunizaje no fueron sólo el resultado de una tecnología y una ciencia impresionantes, sino también de algunos momentos de buena suerte. Dijo: “La ciencia también contiene la necesidad de suerte. Y el programa Apolo en aquel momento necesitaba algo de suerte. Tanto nuestro trabajo como el programa Apolo tuvieron suerte”.

Las opiniones expresadas son las del autor(es) y no necesariamente las de Scientific American.

Grant Lu, PhD, es presidente de Heraeus Quartz North America en Buford, Georgia.

Benjamin Storrow y E&E News

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