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Los pequeños saltan al espacio

Envían nanosatélites en misiones de recolección de datos que incluyen desde monitoreo ambiental hasta ensayos con sistemas biológicos

El nanosatélite AESP-14, desarrollado por el ITA y el Inpe, en la cámara de pruebas

Léo RamosEl nanosatélite AESP-14, desarrollado por el ITA y el Inpe, en la cámara de pruebasLéo Ramos

Creados en 1999 como una herramienta educativa, desde entonces, los cubesat ‒nanosatélites con forma cúbica, de 10 centímetros de lado, medida que define su altura, ancho y profundidad‒ se convirtieron en un instrumento relativamente económico y rápido para recabar datos del espacio. Se los utiliza con diversas finalidades, que van desde la detección de las señales electromagnéticas que preceden a los terremotos hasta sistemas de monitoreo de las condiciones atmosféricas, pasando por test de sistemas biológicos, tales como la producción de proteínas bacterianas en el espacio, y la observación de fenómenos en el suelo, entre otras aplicaciones. Desde los primeros cubesat que fueron lanzados en 2003, cuando seis proyectos viajaron a bordo del vehículo de lanzamiento ruso Rockot, hasta el mes de abril de este año, se realizaron 130 lanzamientos, 65 de los cuales fueron durante el año pasado.

En Brasil, el programa para la construcción de satélites de pequeño porte, iniciado en 2003 por investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), con apoyo de la Agencia Espacial Brasileña (AEB), comienza a rendir resultados concretos con la perspectiva de lanzamiento de otros cuatro minisatélites incluso este mismo año. El primero, cuyo lanzamiento está programado para el 19 de junio, es el NanoSatC-BR1, sigla por nanosatélite científico brasileño. El área espacial tomó prestado el prefijo nano ‒relativo a tamaños de millonésimas de milímetro‒ para designar a satélites muy pequeños. El BR1, con algo menos de un kilogramo de peso, fue concebido y desarrollado por investigadores del Centro Regional Sur del Inpe, en colaboración con la Universidad Federal de Santa Maria (UFSM), en Rio Grande do Sul. Luego de la realización de ensayos tales como el de vibración, que simulan las condiciones en la fase de lanzamiento, lo trasladaron hacia Delft, en Holanda. Allá se llevarán a cabo otros test antes de que el artefacto sea enviado a Rusia, donde será puesto en órbita por el cohete DNEPR, un antiguo misil nuclear soviético-ucraniano convertido en plataforma de lanzamiento comercial. “El cohete lleva un satélite principal y en los sitios vacíos se acomodan varios satélites menores”, explica Otávio Durão, coordinador de ingeniería y tecnología espacial del proyecto en la sede del Inpe, en São José dos Campos, interior de São Paulo.

NasaEl cubesat BR1 llevará a bordo una placa con tres cargas útiles. Una de ellas es un sensor denominado magnetómetro, que estudiará el campo magnético terrestre y su interacción con la radiación ionizante proveniente del Sol y de las estrellas. Su objetivo es el estudio de un fenómeno al que se conoce como anomalía magnética del Atlántico Sur, que ocurre en la región costera del sur de Brasil. En esas latitudes, los investigadores reportan la existencia de una falla en la magnetósfera terrestre que permite a la radiación ionizante espacial llegar más cerca de la superficie. Como consecuencia de ello, existe un mayor riesgo de presencia de partículas de alta energía que pueden afectar a las comunicaciones, a las señales de los satélites de posicionamiento global (como el GPS), a las redes de distribución de energía o incluso provocar fallas en dispositivos electrónicos como las computadoras a bordo, por ejemplo. Las mediciones del sensor serán realizadas por el cubesat a partir de una órbita baja cercana a los 600 kilómetros de altitud, sobrevolando los polos terrestres.

“También vamos a realizar pruebas en el espacio con los dos primeros circuitos integrados proyectados en Brasil para uso espacial”, dice Nelson Jorge Schuch, graduado en física y coordinador general del Programa NanoSatC-BR – Desarrollo de Cubesats en el Centro Regional Sur de Investigaciones Espaciales y gerente del Proyecto BR1 del Inpe. Uno de los circuitos recibe comandos desde tierra con instrucciones para conectar y desconectar la carga útil, la cámara, etc. “El método del proyecto que se utilizó para el desarrollo de este circuito le confiere protección contra las radiaciones del espacio y eso es lo que se desea testear en vuelo”, comenta Schuch.

El otro circuito electrónico integrado se basa en un software desarrollado por el laboratorio del grupo de Microelectrónica del Instituto de Informática de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), también colaboradora en el desarrollo, que protege al hardware ante fallas causadas por la radiación. Dos estaciones terrestres de rastreo y control de nanosatélites, una ubicada en Santa Maria (Rio Grande do Sul) y otra en el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), en São José dos Campos, monitorearán al cubesat BR1 en órbita, rastreando y bajando los datos que el satélite acopiará desde el espacio. Esas estaciones ya están recibiendo datos de otros satélites en órbita.

Lanzamiento de satélites desde el módulo japonés, a partir de la Estación Espacial Internacional

Nasa Lanzamiento de satélites desde el módulo japonés, a partir de la Estación Espacial InternacionalNasa

“De entrada planeábamos trabajar con satélites de pequeño porte, pero como surgió el concepto de los cubesat, creado por el profesor Robert Twiggs, de la Universidad Stanford, en California, Estados Unidos, modificamos nuestra estrategia”, dice Schuch. La plataforma se proyectó para que sea pequeña, sencilla ‒lo cual facilita su construcción por alumnos de posgrado‒ y con un tamaño estándar: una caja cúbica de 10 centímetros de lado donde se alojan subsistemas de comunicación, paneles solares, batería y algún otro agregado, con un peso total de alrededor de un kilogramo. “A medida que pasó el tiempo se transformó en un modelo tecnológico espacial y eso abrió el camino para el montaje de otros cubesat”, dice Durão.

Entre los nanosatélites brasileños que están siendo alistados para enviarlos al espacio, uno de ellos, el Tancredo-1, se destaca porque sus constructores son estudiantes de enseñanza básica de la escuela municipal Tancredo de Almeida Neves, en Ubatuba, litoral norte paulista. “La idea de montar un satélite surgió en una charla con alumnos del quinto año, que trabajaban en un proyecto de iniciación científica”, relata el profesor de matemática Candido Osvaldo de Moura, coordinador del proyecto. El apoyo económico de un empresario local, que contribuyó con 16.500 reales, fue el punto de partida para la concreción del sueño, que ya va por su quinto año y en el cual participaron 150 alumnos. “Compramos los componentes y montamos el satélite aquí, pieza por pieza”, comenta el profesor.

En Estados Unidos se registra un movimiento creciente de misiones espaciales cuyas plataformas son los cubesat. La agencia espacial (NASA), por ejemplo, colocó en órbita en noviembre del año pasado 29 satélites en una única misión, que incluía un satélite militar y 28 cubesat proyectados y construidos por diversas instituciones universitarias. Uno de ellos, el denominado PhoneSat 2.4, utilizó como computadora a bordo el hardware de un teléfono celular. Empresas privadas, como en el caso de Planeta Labs, de San Francisco, creada en 2010 por tres ex científicos de la NASA, también están invirtiendo en esa plataforma de recolección de datos. En febrero de este año, la empresa lanzó, desde la Estación Espacial internacional (ISS), una flota de 28 nanosatélites denominada Flock 1, que van a tomar fotografías de la Tierra permanentemente. Según la compañía, las imágenes permitirán la identificación de áreas de desastres ambientales y ayudarán a mejorar la producción agrícola en los países en desarrollo (lea más información sobre el tema en la revista Nature, en su edición del 17 de abril de 2014).

Alumnos de la escuela de Ubatuba aprenden a montar un tubesat

Léo RamosAlumnos de la escuela de Ubatuba aprenden a montar un tubesatLéo Ramos

“La estructura de los cubesat se monta con componentes de anaqueles, es decir, piezas industriales estándar, lo cual abarata mucho el costo del proyecto”, dice Durão. El costo total del NanoSat-BR1, por ejemplo, sumó unos 800 mil reales, una cifra que abarca la adquisición de los componentes, el desarrollo del software para la estación terrestre de rastreo y control de nanosatélites y la construcción de la estación y de los experimentos que irán como carga útil, además de su lanzamiento desde el cohete ruso. El lanzamiento costó alrededor 280 mil reales. A modo de comparación, un satélite de la serie Cbers, concebido mediante una cooperación con China para monitoreo remoto, cuesta alrededor de 270 millones de dólares y el riesgo de perder todo el proyecto existe tanto para los cubesat como para los satélites de gran porte. El Cbers-3, por ejemplo, se perdió en diciembre de 2013 debido a una falla en uno de los motores del vehículo de lanzamiento chino. En tanto, el primer nanosatélite científico brasileño, el Unosat-1, de las universidades Norte do Paraná (Unopar) y Estadual de Londrina (UEL), se destruyó por un accidente con el vehículo de lanzamiento VLS-1 en Alcântara, estado de Maranhão, en 2003.

Un segundo cubesat del programa NanoSatC ‒el BR2, con el doble del tamaño del primero y mayor capacidad de carga útil‒ se encuentra en su fase final de preparación y se estima que será lanzado en 2015. “Ya están definidas las cargas útiles, que se encuentran en desarrollo y ahora debemos contratar el lanzamiento”, dice Durão. Una de ellas está compuesta por un sensor para la detección de partículas en la ionósfera y la otra es un sistema para determinar la altura que define la posición angular del satélite, algo esencial, por ejemplo, para tomar una fotografía u orientar una antena. Ese subsistema, que se está fabricando por primera vez en Brasil, fue desarrollado mediante una colaboración entre el Inpe, la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y la Universidad Federal del ABC (UFABC). Se trata de elemento crítico para los satélites por ser también una aplicación militar, lo cual limita el acceso a esa tecnología a unos pocos países. El costo del montaje de la plataforma del BR2, entre modelos de ingeniería y de vuelo y la estación terrestre, fue de 748 mil reales.

El Centro Renato Archer de Campinas también participó en la construcción de la carga útil de los NanoSatC-BR1 y 2, a través del Proyecto Citar, cuyo objetivo es el desarrollo de circuitos integrados con protección contra la radiación para diversas aplicaciones, incluso espaciales, para grandes satélites como son los de telecomunicaciones y otros. “Estos cubesat, y los demás del programa, se utilizarán como plataformas de prueba en el espacio para estos circuitos”, comenta el ingeniero electricista Saulo Finco, del Centro Renato Archer y coordinador del proyecto. El BR1 ya posee como una de sus cargas útiles uno de los circuitos desarrollados dentro del Proyecto Citar.

Léo RamosLos otros tres nanosatélites brasileños cuyo lanzamiento está previsto para este año serán lanzados desde la ISS, la plataforma que se encuentra en órbita a una altura de 370 kilómetros. La operación se realizará por medio de un brazo robótico operado por el módulo espacial japonés Kibo. Uno de esos satélites es el SERPENS ‒sigla de sistema espacial para la realización de investigaciones y experimentos con nanosatélites‒, un proyecto coordinado por la AEB, en el cual participan la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), la UFABC, la UFMG y la Universidad de Brasilia (UnB), además del Instituto Federal Fluminense de Campos de Goitacazes, en Río de Janeiro, responsable de las estaciones que recibirán los datos de los satélites. Entre los colaboradores internacionales se encuentran la Universidad de Vigo, en España, la Sapienza Universitá di Roma, en Italia, la Morehead State University y la California State Polytechnic University, ambas en Estados Unidos.

“Nuestra propuesta contempla que la ejecución del proyecto sirva como capacitación para los estudiantes de las nuevas carreras de ingeniería aeroespacial, que estarán en contacto con grupos de investigación con experiencia en esa área”, dice Gabriel Figueiró de Oliveira, becario de la AEB y responsable del proceso de desarrollo y montaje del satélite. La ejecución del proyecto será tarea de las universidades. “El Serpens, nombre que alude a una constelación llamada serpiente [que se ve desde el hemisferio norte], es el nanosatélite más desafiante desarrollado en Brasil”, dice el profesor Carlos Gurgel, director de satélites, aplicaciones y desarrollo de la AEB. La meta es que esté listo para el final de este año y su lanzamiento está previsto para el comienzo del mes de diciembre. El proceso para dar inicio a la primera misión del programa comenzó en septiembre del año pasado, con la apertura del proceso destinado a la adquisición de equipamientos, pero su puesta en marcha oficial fue en la primera semana de diciembre, durante un workshop con la participación de colaboradores internacionales. “Las imágenes del lanzamiento del satélite desde la estación espacial  podrán ser vistas y compartidas por los estudiantes”, dice Figueiró.

Nanosatélite en la cámara de vacío del Inpe

Léo RamosNanosatélite en la cámara de vacío del InpeLéo Ramos

Todos los subsistemas dentro del Serpens, tales como computadoras a bordo, paneles solares y otros componentes obligatorios, se encuentran duplicados. Y cada uno de los sectores llevará una carga útil cuyo objetivo consiste en testear un concepto tecnológico para los cubesat de recepción y transmisión de mensajes por sistema de radio, que, en el futuro, podrán utilizarse para recabar datos. “Uno de los sectores transportará una carga útil compuesta por un transponder [dispositivo para la colecta de datos] montado con una arquitectura experimental y componentes de bajo costo, algunos nunca probados en órbita, en la banda VHF [muy alta frecuencia]”, relata Fuigueiró. El otro sector llevará un dispositivo de comunicación electrónico ya probado en órbita para esa finalidad, con un sistema en la banda UHF, la misma que se utiliza para la televisión digital. “Queremos testear si el transponder en la banda UHF puede recibir, almacenar y procesar informaciones de a bordo y luego retransmitirlas a las antenas instaladas en las universidades”.

El segundo cubesat, cuyo lanzamiento está previsto para este año, desde la Estación Espacial Internacional, es el AESP-14, que pesa alrededor de un kilogramo y fue desarrollado en colaboración entre el ITA y el Inpe. “El desarrollo del nanosatélite es una forma de incentivar a los alumnos para que ejerciten aquello que aprendieron en el salón de clases”, dice el profesor Roberto Lacava, coordinador del proyecto y de la carrera de ingeniería aeroespacial del ITA, conocida en la institución con la denominación de AESP. Esa misma sigla fue adoptada como nombre del proyecto, iniciado en 2012 por el  grupo que se graduará en 2014. “Todos los subsistemas electrónicos y mecánicos fueron proyectados y montados por los estudiantes”, dice el ingeniero Cleber Toss Hoffmann, coordinador técnico del proyecto en el ITA. Solamente se compró el módem de radiofrecuencia, utilizado por diversos cubesat y compatible con la comunidad de radioaficionados del mundo.

Hoffmann es alumno de maestría en el ITA y también docente de la carrera de grado, donde utiliza el proyecto en sus clases. La carga útil del AESP-14 es un experimento intelectual. “Radioaficionados de todo el mundo recibirán frases grabadas por científicos brasileños”, dice Lacava. Su desarrollo fue financiado por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), mediante becas por un total de 150 mil reales, y por la AEB, encargada de la compra de componentes, ensayos ambientales, manufactura y material de consumo por valor de 250 mil reales.

El tercer satélite brasileño que también saldrá de la ISS, el Tancredo-1, pesa tan sólo 750 gramos, tiene unos 9 centímetros de diámetro por 12 centímetros de altura. Su formato se asemeja a un cilindro, por eso se lo denomina tubesat. La plataforma, creada por la empresa estadounidense Interorbital Systems, consiste en un sistema modular integrado por un conjunto de placas apiladas y otras para la captura de energía solar. “Luego de conversar con colegas, empresarios de la ciudad y establecer contactos con el gobierno municipal, percibí que estaban dadas las condiciones como para reunir los recursos necesarios para su montaje”, relata Moura. El proyecto comenzó en 2010, cuando el profesor leyó en una revista que Interorbital estaba vendiendo un kit de montaje del satélite y se ocupaba de ponerlo en órbita.

Estructura interna del NanoSatC-BR2

Léo RamosEstructura interna del NanoSatC-BR2Léo Ramos

Moura se comunicó con la empresa para saber si los costos eran realmente los ofertados y si era posible montarlo aquí en Brasil. “En la charla, ellos nos manifestaron que nuestros alumnos serían las personas más jóvenes del mundo en realizar una investigación espacial y también que necesitaríamos asistencia técnica”. La estudiante Maryanna Conceição Silva, de 16 años, es uno de los jóvenes que forman parte del proyecto UbatubaSAT desde sus comienzos. En aquel entonces, ella contaba con 12 años y cursaba el quinto año de enseñanza básica. “Es algo muy bueno aprender cómo se construyen los satélites”, comenta al respecto de su experiencia. “Al principio fue muy difícil. Ahora ya no”.

El apoyo técnico para el proyecto provino del Inpe, que cuando se lo solicitaron, adoptó inmediatamente la idea y a continuación comenzó con la capacitación de los docentes y luego de los alumnos. “Llegamos a tener incluso un modelo de prueba del satélite prácticamente testeado, pero surgieron problemas con Interorbital y nos dimos cuenta que se demoraría demasiado hasta su lanzamiento, por eso comenzamos a buscar alternativas”. En total, hasta ahora se gastaron unos 30 mil reales en el proyecto.

Y lo que tan sólo era una idea en un aula transformó la vida de muchos estudiantes, como es el caso de Maryanna Silva, a la que antes poco le interesaban ciencia y tecnología y hoy quiere ser ingeniera espacial. En función del proyecto, los alumnos de la escuela también escribieron un artículo científico que a comienzos de 2013 fue remitido y aceptado para su presentación en el principal congreso aeroespacial de Japón, en Nagoya. El viaje fue solventado por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO). “Los alumnos tuvieron un enorme éxito y fueron invitados a conocer Jaxa, la agencia aeroespacial de Japón”, comenta Moura. Allí se filmó un documental, que se encuentra en etapa de edición, que narra todo el proceso de la construcción del satélite.

Los alumnos también visitaron la NASA, en Pasadena, y la empresa Interorbital en Mojave, ambas en California. El módulo de prueba del tubesat ya está terminado y el modelo de vuelo estará listo para el mes de julio, cuando será enviado a Japón, donde se realizarán las pruebas finales previas al lanzamiento. Ahora la escuela lleva a cabo un concurso para la elección del mensaje que se transmitirá en la frecuencia de radioaficionados. Moura también trabaja en la puesta en marcha del proyecto Tancredo-2. La idea, según él, es construir un poketcube, un modelo diferente, también desarrollado por Twiggs, de la Universidad Stanford.

En Brasil, se están construyendo otros satélites de pequeño porte, tales como el Itasat 1, un proyecto conjunto entre el Inpe y el ITA cuyo lanzamiento está previsto para el segundo semestre de 2015. Originalmente, el proyecto tenía como objetivo la construcción de un satélite de estructura convencional para recabar datos ambientales. “Con el paso del tiempo se adecuó el satélite dentro de la plataforma cubesat, que está definida en la literatura internacional, lo cual facilita replicarlos en otros experimentos”, comenta el profesor Elói Fonseca, gerente del proyecto. “De esta manera, el Itasat pudo aprovechar todo lo que ya se había desarrollado”. Su peso es de alrededor de 6 kilogramos y sus dimensiones son 10 por 22,6 centímetros, con 34 centímetros de altura, el equivalente a seis unidades del cubesat BR1. Como carga útil, llevará al espacio los mismos sensores que miden la radiación del campo electromagnético de los satélites NanoSatC. “De este modo, podremos dar continuidad a los experimentos como una red de satélites”, dice Fonseca.

En el proyecto se utilizará un transponder desarrollado por el Centro Regional del Nordeste (CRN) del Inpe, en Natal, Rio Grande do Norte. “Simultáneamente, nuestro satélite recabará informaciones del suelo con una cámara fotográfica con una resolución de 80 metros a una altura de 650 kilómetros, desde la que orbitará”. Esas imágenes podrán utilizarse para estudios del relieve, de la atmósfera y también para experimentos universitarios.

El CRN de Natal, responsable del sistema brasileño de recolección de datos ambientales, también forma parte del movimiento de expansión de los cubesat brasileños. Desde el inicio de 2011, investigadores del centro regional, coordinados por Manoel Mafra de Carvalho, están trabajando en el proyecto Conasat, una constelación de seis nanosatélites destinados a recabar datos ambientales: cada uno de ellos es un cubo de 20 centímetros de lado y 8 kilogramos de peso. El objetivo del proyecto consiste en asegurar la continuidad de la recolección de datos ambientales, puesto que de los dos satélites en operación en la actualidad, los SCD1 y 2 del Inpe, tan sólo uno está funcionando según lo planificado. Ambos satélites, construidos en la década de 1990, presentan un formato cilíndrico, miden 1 metro de altura por 1,5 metros de diámetro y pesan más de 100 kilogramos. “El Conasat cumple la misma función del SCD, con un costo reducido”, dice Carvalho, quien también es coordinador del CRN. Antes de tomar la decisión de que el satélite tendría el formato de cubesat, se realizó un estudio para evaluar la factibilidad de contar con un transponder de recolección de datos embarcado en el nanosatélite. “En el espacio, el transponder recibirá las señales de las plataformas que se encuentran distribuidas por Brasil y por el Atlántico y las retransmitirá hacia nuestras estaciones de recepción en Alcântara y Cuiabá”, informa Carvalho. Luego de su recepción en las estaciones, se las procesa y se las envía a los usuarios. El costo del proyecto y montaje del Conasat es de unos 5 millones de reales, incluyendo el lanzamiento. Se estima que la puesta en órbita del primer satélite de la constelación ocurrirá en 2016.

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