Cubesats y Nanosatélites

El blog Brazilian Space publicó un interesante artículo sobre CubeSats y nanosatélites. El artículo es autoría del Dr. Otávio Durão (INPE) y fué publicado originalmente en revista Tecnologia & Defesa. Reproducimos a continuación parte del mismo.

CUBESATS Y NANOSATÉLITES, UN NUEVO CONCEPTO PARA EL SECTOR ESPACIAL

Por Otávio Durão (INPE)

Los proyectos espaciales, históricamente, fueron vistos como una actividad para unos pocos. Pocos países, pocas instituciones y pocos individuos. Eso fue así debido a que sus costos son altos, su tecnología compleja y sus riesgos también altos. Durante la Guerra Fría, fue aún más limitada a los participantes del club espacial, debido a que los poseedores de esta tecnología, por razones de defensa, no permitían el acceso a ella por parte de otras naciones, y debido también a que sus costos eran cubiertos por los abultados presupuestos militares. Con el final de aquel período, dichas limitaciones tendieron a disminuir. Prácticamente todos los programas espaciales en el mundo tuvieron su origen en aquella época y se beneficiaron de los presupuestos de defensa. Las empresas que desarrollaban satélites y lanzadores fueron, en su mayoría, también dimensionadas por aquellas inversiones, así como lo fueron su infraestructura y costos fijos.

Pero esa época parece estar terminando. La financiación del aparato militar se encoge o se hace más eficiente, y las empresas y los gobiernos tienen dificultades para mantener el mismo nivel de gastos y proyectos. El sector espacial se está viendo afectado por este cambio, con vistas a la reducción de costos y una mayor eficiencia, y una mejor relación costo/beneficio de los datos generados por sus productos. 

Al mismo tiempo, el mundo ha presenciado en las últimas décadas una revolución de la electrónica que afectó dramáticamente a la industria, en sectores tales como la informática y las comunicaciones, por citar dos de los casos más visibles. Los componentes son cada vez más pequeños, más baratos, de mayor capacidad y cada día más eficientes. Hasta ahora, el sector espacial observó este movimiento sin participar de él como usuario, y eso fue así por dos razones. En primer lugar, porque no había fondos para pagar por componentes calificados espacialmente, muchas veces, órdenes de magnitud más caros, y también porque el desarrollo de un proyecto lleva varios años manteniendo los componentes seleccionados en la fase de especificación. En esta coyuntura, las empresas y los gobiernos están buscando proyectos más baratos y más pequeños, haciendo uso de dichos componentes, y que puedan absorber/mitigar los riesgos asociados con el ambiente espacial (especialmente la radiación). Vale la pena mencionar que en muchos casos, no hay pérdida de capacidad al utilizarlos.

Historia

A principios de este siglo, dos profesores de Stanford en los Estados Unidos "inventaron" (pero no patentaron) un estándar para el desarrollo de pequeños satélites. Muy pequeño por cierto se denominó CubeSat, debido a un cubo de 10 cm del lado. El patrón se estableció a través de un documento de Especificación de Diseño Conceptual (CDS en inglés).

El standard y el desarrollo de CubeSats inicialmente tenía el objetivo de permitir a los estudiantes participar en proyectos que emularan a los de mayor tamaño, ya que al igual que aquellos, son puestos en órbita, transmiten datos a una estación terrestre, y poseen varios de los sistemas que tienen los satélites de mayor tamaño, tales como computadora de vuelo, subsistemas de transmisión y recepción, de energía, de control, etc. También son capaces de transportar una carga útil, como ser una cámara fotográfica, un experimento científico, o un componente cuyo desempeño debe ser probado. Y esto, a un costo de algunos cientos de miles de dólares.

El CubeSat operativo más antiguo tiene más de 10 años en el espacio, y fue desarrollado por la Universidad de Tokio. Como todos los componentes electrónicos que utilizan los CubeSats son de uso industrial, sin la especificación espacial o incluso militar, se comienzó a crear lo que se denomina en el sector "herencia espacial”. Es decir, muchos de los componentes de la computadora de vuelo y el equipo de radio, antenas y otras (excepto las células de los paneles solares que tengan calificación espacial) han demostrado ser resistentes a la radiación lo suficiente como para ser incorporados en muchos de los nuevos proyectos en marcha.

En América del Sur, Colombia tiene un CubeSat en funcionamiento desde hace unos cinco años. Perú, Argentina y Ecuador han lanzado CubSats más de una vez. En noviembre pasado, hubo una liberación simultánea de 32 CubeSats en un lanzador ruso Dnepr, y unos 15 días después, otros 28 fueron lanzados por un cohete estadounidense. Es decir, sólo en ese mes, se pusieron en órbita más de 60 CubeSats. Un número que da una idea de lo que se avecina.

Según el estándar, el 1U (Cubo de 10 cm de lado y 1kg de peso) comenzó a ser ampliado a 2U, 3U, 6U, 8U, 12U, y así sucesivamente, simplemente "apilando" para construir CubeSats de mayor tamaño utilizando siempre la unidad standard 1U inicial (igual que un Lego se monta a partir de una misma pieza). Esto permitió el desarrollo de nanosatélites con capacidades y objetivos de funcionamiento cada vez mayores, incluyendo algunos de uso comercial y científico. La posibilidad que brindan estos dispositivos se expandió más allá de las aulas y del ambiente académico, llegando al ámbito industrial y comercial.

Desarrollo , lanzamiento y operación

Un CubeSat 1U sigue las normas mencionadas anteriormente y se monta a modo de "fetas", con sus subsistemas colocados en paralelo en la estructura, en un patrón conocido como PC - 104. Por lo general, la frecuencia de transmisión y recepción que utilizan son las mismas de los radioaficionados (VHF/UHF), los CubeSats modernos utilizan banda S y otras bandas de mayor capacidad.

Del mismo modo, la interfaz con el lanzador también está estandarizada y se denomina POD (Picosatellite Orbit Deployer). Así, los CubeSats pueden ser lanzados por diferentes vectores, por estar estandarizada su interfaz. Varios lanzadores ya tienen dicho estándar incorporado como ser el PSLV (India), Minotauro (Estados Unidos), Vega (Comunidad Europea), y DNEPR (Rusia) , por nombrar algunos.

El lanzamiento de un CubeSat generalmente se efectúa como carga secundaria; estos toman ventaja del lanzamiento de un satélite de gran tamaño o de tamaño medio, y se adapta el POD que va cargado en la última etapa del lanzador. Estas interfaces están aumentando en tamaño y capacidad, a fin de transportar un mayor número de satélites. Las estaciones son generalmente de bajo costo. Un CubeSat 1U puede ser desarrollado, lanzado, y puede tener su propia estación por alrededor de $ 2.000.000.

Proyectos Nacionales

El primer CubeSat nacional [de Brasil] está programado para ser lanzado en mayo / junio de este año. Es el NanosatC-Br1, realizado en colaboración entre el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE) y la Universidad Federal de Santa Maria (UFSM). Está basado en estándar 1U y su misión científica es medir los datos del campo magnético de la tierra con un magnetómetro. Otros dos experimentos tecnológicos incluyen uno de los primeros circuitos integrados diseñados en Brasil que fueron diseñados para resistir la radiación en el espacio (Diseñado por la UFSM y fabricado en Alemania). El segundo, un producto del Instituto de Informática de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), es un software que se colocará en un componente característico FPGA industrial de tolerancia a errores causados ​​por la radiación. Se optó por comprar la plataforma CubeSat de una empresa internacional, ISIS de Holanda, que ofrece la posibilidad de realizar pruebas con cargas útiles desarrolladas en Brasil. Esta es una de los varios usos que se puede hacer de un CubeSats; Servir de plataforma de prueba en el espacio de nuevos componentes, productos, y experimentos.

El NanosatC-Br1 aprobó los ensayos medioambientales en la segunda mitad de marzo, antes de ser enviado para su lanzamiento, que se hará en territorio ruso.

Otro proyecto que surgió es el CONASAT, un satélite más grande, un CubeSat 8U, cuya pretensión es reemplazar el actual sistema SCD (Satélites de recopilación de datos), lanzado en 1993 y 1998 y todavía en funcionamiento. Mientras que el SCD-1 y 2 tienen más de 100 kg de masa y su estructura se compone básicamente de un prisma octogonal, con cerca de un metro de altura, el CONASAT tiene una masa de 8,4 kg, redundancia en todos los subsistemas, carga útil, y consiste en un cubo de 20 cm de lado.

Así como el ámbito civil busca aplicaciones en las cuales los CubeSats puedan ser utilizados por su bajo costo, el sector de la defensa hace lo mismo. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) lanzó a finales del año pasado sus primeros CubeSats para comunicación de paquetes de voz en zonas remotas.

Actualmente se analiza dotar CubeSats con capacidad de teledetección y visión infrarroja. Otra aplicación es en la identificación de buques. ¿Hasta dónde se puede llegar? Este es el principal problema que tratan de responder el sector espacial, la industria, y el mundo académico. ¿Qué otro tipo de aplicaciones pueden cumplir estos satélites? Las perspectivas eran inimaginables hace solo dos o tres años. Debido a su bajo costo, muchos países que antes no podían participar de la carrera espacial ahora pueden hacerlo.

Posibilidades futuras y Dificultades

No todos los proyectos espaciales podrán ser sustituidos por CubeSats. Hay límites de generación y almacenamiento de energía que hacen inviables determinadas aplicaciones. Pero incluso en estos casos, pueden ser complementarios y cubrir etapas intermedias.

También hay dificultades que superar, como ser el exceso de desechos que causan el espacio, lograr una mayor flexibilidad del sector regulatorio (en particular para la concesión de frecuencias), y la oferta de pequeños lanzadores especialmente diseñados para lanzamientos de CubeSats (que no se vean obligados a utilizar la misma órbita que es pensada en base a la carga principal, como actualmente sucede).

Por otro lado, el uso de constelaciones de estos satélites sumado al aumento de masa y volumen de los CubeSats (entre 10 y 20 kg), aumentará significativamente las capacidades de los mismos. Empresas como Planet Labs piensan en grandes constelaciones. Así, ya ha firmado un acuerdo con Google que prevé constelaciones de hasta 1.600 CubeSats. Este número es el doble del total de satélites lanzados hasta la fecha, y su producción ya ha comenzado.

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