Los campos magnéticos están presentes en todas partes en nuestro sistema solar. Se originan en el Sol, los planetas y las lunas, y son transportados a través del espacio interplanetario por el viento solar. Ésta es precisamente la razón por la que los magnetómetros (dispositivos utilizados para medir los campos magnéticos) se utilizan en casi todas las misiones espaciales para beneficiar a las comunidades científicas de la Tierra, los planetas y la heliofísica, y en última instancia enriquecer el conocimiento para toda la humanidad. Estos instrumentos pueden sondear de forma remota el interior de un cuerpo planetario para proporcionar información sobre su composición interna, estructura, dinámica e incluso evolución en función de la historia magnética congelada en las capas rocosas de la corteza del cuerpo. Los magnetómetros pueden incluso descubrir océanos ocultos dentro de nuestro sistema solar y ayudar a determinar su salinidad, proporcionando así información sobre la habitabilidad potencial de estos mundos helados.
Los magnetómetros fluxgate son los más utilizados en misiones espaciales debido a su rendimiento y simplicidad comprobados. Sin embargo, el tamaño, el peso y la potencia (SWaP) convencionales de los instrumentos fluxgate pueden restringir su uso en plataformas pequeñas como CubeSats y, a veces, limitar la cantidad de sensores que se pueden usar en una nave espacial para la calibración entre sensores, la redundancia y la eliminación del campo magnético de la nave espacial. Tradicionalmente, se utiliza un brazo largo para distanciar los magnetómetros fluxgate del campo magnético contaminante generado por la propia nave espacial, y se utilizan al menos dos sensores para caracterizar la caída de esta contribución del campo para que pueda eliminarse de las mediciones. Los magnetómetros fluxgate tampoco proporcionan una medición absoluta, lo que significa que deben calibrarse de forma rutinaria en el espacio mediante giros de la nave espacial, lo que puede requerir mucho tiempo y recursos.
Un equipo financiado por SMD en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el Sur de California se ha asociado con el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, Ohio, para crear un prototipo de un nuevo magnetómetro llamado magnetómetro de carburo de silicio (SiC), o SiCMag, que podría cambiar la forma en que se miden los campos magnéticos en el espacio. SiCMag utiliza un sensor de estado sólido hecho de un semiconductor de carburo de silicio (SiC). Dentro del sensor de SiC hay centros cuánticos (defectos o irregularidades introducidos intencionalmente a escala atómica) que dan lugar a una señal de magnetorresistencia que puede detectarse monitoreando los cambios en la corriente eléctrica del sensor, que indican cambios en la fuerza y la dirección del campo magnético externo. Esta nueva tecnología tiene el potencial de ser increíblemente sensible y, debido a su gran ancho de banda (es decir, la energía requerida para liberar un electrón de su estado ligado para que pueda participar en la conducción eléctrica), es capaz de operar en la amplia gama de temperaturas extremas y entornos de radiación hostiles que se encuentran comúnmente en el espacio.
David Spry, miembro del equipo de NASA Glenn, indica: “El material de SiC no solo es excelente para la detección de campos magnéticos, sino que aquí en NASA Glenn estamos desarrollando una electrónica de SiC robusta que funciona en entornos cálidos mucho más allá de los límites de temperatura superiores de la electrónica de silicio. Estas tecnologías basadas en SiC permitirán algún día la exploración científica robótica de larga duración de la superficie de Venus a 460 °C”.
El SiCMag también es muy pequeño: el área del sensor es de solo 0,1 x 0,1 mm y las bobinas de compensación son más pequeñas que un centavo. En consecuencia, se pueden incorporar fácilmente docenas de sensores SiCMag en una nave espacial para eliminar mejor el complejo campo magnético contaminante generado por la nave espacial, lo que reduce la necesidad de una gran pluma para distanciar los sensores de la nave espacial, como se implementa en la mayoría de las naves espaciales, incluida Psyche (ver la figura a continuación).
El SiCMag tiene varias ventajas en comparación con los magnetómetros de compuertas de flujo y otros tipos de magnetómetros tradicionales, incluidos los basados en vapor atómico bombeado ópticamente. El SiCMag es un instrumento simple que no depende de componentes ópticos o de alta frecuencia, que son sensibles a las variaciones de temperatura. El bajo SWaP del SiCMag también permite su instalación en plataformas pequeñas como CubeSats, lo que permite realizar mediciones simultáneas del campo magnético espacial y temporal que no son posibles con una sola nave espacial a gran escala. Esta capacidad permitirá el mapeo del campo magnético planetario y el monitoreo del clima espacial mediante constelaciones de CubeSats. Las mediciones multiplataforma también serían muy valiosas en la superficie de la Luna y Marte para el mapeo del campo magnético de la corteza, la identificación de la composición y la investigación de la historia magnética de estos cuerpos.
El SiCMag tiene una verdadera capacidad de detección magnética de campo cero (es decir, el SiCMag puede medir campos magnéticos extremadamente débiles), algo que no se puede conseguir con la mayoría de los magnetómetros de vapor atómico convencionales debido al campo magnético mínimo necesario para que el sensor funcione. Y como los electrones que transportan espín en el SiCMag están atados a los centros cuánticos, no escaparán del sensor, lo que significa que son muy adecuados para viajes de décadas a los gigantes de hielo o a los bordes de la heliosfera. Esta capacidad también es una ventaja del hermano óptico equivalente del SiCMag, OPuS-MAGNM, un magnetómetro cuántico de estado sólido bombeado ópticamente Desarrollado por Hannes Kraus y perfeccionado por Andreas Gottscholl del grupo de magnetometría de estado sólido del JPL. SiCMag tiene la ventaja de ser extremadamente simple, mientras que OPuS-MAGNM promete tener características de ruido más bajas, pero utiliza componentes ópticos complejos.
Según el Dr. Andreas Gottscholl, “SiCMag y OPuS-MAGNM son, en realidad, muy similares. El progreso en un sistema de sensores se traduce directamente en beneficios para el otro. Por lo tanto, las mejoras en el diseño y la electrónica hacen avanzar ambos proyectos, duplicando efectivamente el impacto de nuestros esfuerzos mientras seguimos siendo flexibles para diferentes aplicaciones”.
El SiCMag tiene la capacidad de autocalibrarse debido a su capacidad de detección absoluta, lo que es una ventaja significativa en el entorno espacial remoto. El SiCMag utiliza una técnica de calibración espectroscópica que también utilizan los magnetómetros de vapor atómico, llamada resonancia magnética (en el caso del SiCMag, la resonancia magnética se detecta eléctricamente) para medir la frecuencia de precesión de los electrones asociados a los centros cuánticos, que está directamente relacionada con el campo magnético en el que está inmerso el sensor. Esta relación es una constante física fundamental en la naturaleza que no cambia en función del tiempo o la temperatura, lo que hace que la respuesta sea ideal para la calibración de las mediciones del sensor. «Si logramos la mejora de sensibilidad buscada que anticipamos utilizando materiales isotópicamente más puros, el SiC podría cambiar la forma en que se realiza típicamente la magnetometría en el espacio debido al atractivo SWaP del instrumento, su robustez y su capacidad de autocalibración», dice el Dr. Corey Cochrane del JPL, investigador principal de la tecnología SiCMag.
La NASA ha estado financiando la investigación del sensor magnetómetro cuántico de estado sólido de este equipo a través de su programa PICASSO (Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations) desde 2016. Una variedad de socios nacionales de la industria y el mundo académico también apoyan esta investigación, incluido el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, la Universidad Estatal de Pensilvania, la Universidad de Iowa, QuantCAD LLC, así como socios internacionales como el Centro de Investigación de Aplicaciones y Materiales Cuánticos (QUARC) de Japón e Infineon Technologies.
Agradecimiento: La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro, del Instituto Tecnológico de California, bajo un contrato con la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (80NM0018D0004) y el Centro de Investigación Glenn de la NASA.
Dr. Corey Cochrane, Dr. Hannes Kraus, Laboratorio de Propulsión a Chorro/Instituto Tecnológico de California
Dr. Phil Neudeck, David Spry, Centro de Investigación Glenn de la NASA
Organización(es) patrocinadora(s):
Dirección de Misiones Científicas PICASSO, Fondo de I+D del JPL
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Equipo editorial de ciencia de la NASA
