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Tudo o que peço é um lançamento bem sucedido, um sinal de rádio limpo, e uma vida suficientemente longa para atingir esse objectivo.

Se os balões de alta altitude não forem suficientemente altos, se se sentir frustrado pelo ritmo de desenvolvimento espacial, ou se gostar mesmo, mesmo muito de foguetes e hardware, penso que lançar o seu próprio satélite é uma excelente decisão. Mas primeiro, o que você quer que o seu satélite faça? Aqui estão 7 coisas fundamentais que você precisa saber antes de lançar sua nave espacial pessoal em órbita a 17.000 milhas por hora.

O que é um satélite Picos?

Os satélites Picos, por definição, são satélites extremamente pequenos e leves. Qualquer satélite picosatélite tenderá a ter estes componentes principais:

• Uma antena
• Um transmissor de rádio para comandos de ligação ascendente ou download dos seus dados
• Um computador num chip como um Arduino ou um Basic-X24
• Um sistema de alimentação, a maioria das vezes células solares mais uma bateria mais um barramento de energia
• Sensores

O progenitor da classe pico é o CubeSat, uma arquitectura de código aberto que lhe permite embalar o que quiser no cubo de 10cm × 10cm × 10cm.

O CubeSat é um satélite tão bonito como uma abóbora. A Forbes informou sobre um fornecedor, Pumpkin Inc., que fornece CubeSats pré-fabricados. O CubeSat em si é uma especificação, não uma peça de hardware de prateleira, então a Pumpkin decidiu pré-construir kits e vendê-los. Se você tem seu próprio foguete para lançar o CubeSat, por $7.500 eles lhe venderão um kit CubeSat.

Este parece-se muito bem com o TubeSat da InterOrbital Systems. A InterOrbital Systems (IOS) tem a vantagem no preço/desempenho, pois eles lançam o lançamento pelo mesmo custo. Mas parece que nem o IOS nem o Pumpkin fornecem pré-madas, apenas kits. Portanto, ainda há trabalho de hobby envolvido, mas os kits removem a necessidade de engenharia e apenas deixam a parte divertida da montagem e integração.

TubeSats e CubeSats são ligeiramente diferentes, claro, e estou insanamente satisfeito por ambos estarem a avançar com a ideia de kits de plataforma. Este é um grande passo na mercantilização da pesquisa espacial. Mesmo que o mini CubeSat pareça assustadoramente semelhante a uma caixa do Hellraiser Lemarchand.

Quanto custa lançar?

Se construir um CubeSat, fixar um foguetão para o lançar não é difícil, apenas caro. Um típico custo de lançamento do CubeSat é estimado em $40.000. Há vários fornecedores comerciais prometendo futuros foguetes CubeSat, assumindo que eles completem o desenvolvimento. Vários projetos da NASA e da Estação Espacial Internacional aceitam algumas propostas usando a arquitetura do CubeSat. Há mais empresas entrando no negócio de lançamentos privados a cada ano, portanto as perspectivas de conseguir um lançamento estão se tornando mais robustas.

A arquitetura TubeSat da InterOrbital Systems é um esquema alternativo. Actualmente apenas suportado pela InterOrbital, é muito rentável. Você obtém os esquemas, componentes principais de hardware, e um lançamento em seu foguete ainda em desenvolvimento pelo preço único de $8.000. Um TubeSat usa uma arquitectura hexagonal ligeiramente mais longa, 12cm de comprimento e 4cm de diâmetro.

Tambem pode trabalhar com uma arquitectura personalizada se tiver acesso a um lançamento de foguetão (através de uma faculdade ou universidade, talvez), mas actualmente os dois principais jogadores são a especificação aberta do CubeSat e a alternativa privada do TubeSat.

Onde está o Orbit?

Onde irá o seu picosatélite? É quase um dado adquirido que o seu picosatélite irá para a órbita baixa da Terra (LEO), uma banda larga que vai de cerca de 150km até talvez 600km. Esta é a região que também tem muitos satélites científicos e a Estação Espacial Internacional (ISS). É dentro e abaixo da ionosfera, a parte muito, muito fina da atmosfera que também coincide com grande parte do campo magnético da Terra.

O campo magnético da Terra protege-nos da actividade mais feroz do Sol. Partículas de alta energia, emissões de flare e ejeções de massa coronal (CMEs; basicamente blobs of Sun-stuff) são desviadas pelo campo magnético antes de poderem alcançar o solo. Onde as linhas do campo magnético mergulham perto dos pólos, esta energia se expressa como a aurora.

Acima da ionosfera, o ambiente espacial pode ser hostil por causa da atividade solar. Abaixo dele, os riscos de radiação são muito menores. É por isso que o ISS é mantido em LEO. O LEO é, no fundo, o mais seguro que o espaço pode obter. É também onde o seu picosatélite é provável que viva.

Uma órbita LEO típica tem um período de cerca de 90 minutos. Ou seja, gira à volta da Terra uma vez a cada 90 minutos, fazendo cerca de 15 órbitas por dia. As órbitas podem ser posicionadas perto do equador da Terra (órbitas equatoriais) ou loop from the North to South Pole (órbitas polares). Da mesma forma, as órbitas podem ser quase circulares, ou ser altamente excêntricas – aproximando-se da Terra numa extremidade da órbita, e depois afastando-se na outra.

Quanto tempo durará o meu satélite?

A sua órbita é inteiramente determinada pelo que o seu fornecedor de foguetões lhe vendeu. Ao nível de passatempo, o mais provável é que consiga uma órbita padrão de 250 km ou quase circular, seja equatorial ou polar. Tal órbita dura (devido ao arrastamento pela tenuosa ionosfera) de 3 a 16 semanas antes de o satélite sofrer uma reentrada em chamas.

Em massas de satélites picos, isto significa que o seu satélite subirá e não regressará. Você tem menos de três meses para recolher dados. O satélite picosatélite irá então, essencialmente, vaporizar-se bem após a reentrada (sem risco de lixo espacial!)

Como está o tempo lá em cima?

LEO Condições e Viabilidade

A ionosfera é chamada assim porque é um plasma muito fino de átomos (iões) e electrões com carga eléctrica, devido à radiação ultravioleta (UV) do Sol. Tecnicamente estende-se de cerca de 50km até mais de 1.000km (graças à Wikipédia!), mas o LEO começa a 150km – abaixo disso, não se consegue manter uma órbita estável. A ionosfera, como mencionado, é impulsionada pela atividade solar. A porção voltada para o Sol tem mais ionização; também, a atividade solar pode impulsionar fortemente o seu comportamento. Há também quedas na linha do campo magnético, levando a aumentos de radiação em altitudes mais baixas. Já mencionámos os pólos, e regiões como a Anomalia do Atlântico Sul (SAA) também têm linhas de campo que mergulham mais abaixo.

Se estiver a enviar sensores, vai querer assegurar algumas coisas:

• Têm um nível de sensibilidade adequado ao nível de sinal que está a tentar medir.
• Têm uma gama dinâmica que lhe permite extrair dados significativos.

Temperaturas LEO

Uma chapa metálica em LEO irá circular de -170°C a 123°C, dependendo da sua face solar e do seu tempo à luz solar. Se o seu picossatélite estiver girando, isto vai nivelar um pouco a distribuição de calor, mas essa é a faixa a assumir. Uma órbita tem aproximadamente metade do seu tempo à luz solar e a outra metade à sombra da Terra, por isso vale a pena modelar o comportamento da temperatura.

Desde que o picossatélite está a girar, este intervalo é felizmente menor (pois o calor tem tempo para distribuir e dissipar), e com uma órbita de 90 minutos, você deve percorrer três intervalos: demasiado frio para registar; regiões de transição onde o sensor regressa válido, mudando lentamente os dados; e possivelmente sobresaturando no extremo superior. Você pode adicionar um aquecedor se os satélites necessários tiverem usado aquecedores e resfriadores dependendo do instrumento e face.

Por isso, um sensor térmico (como um sensor de marca microDig Hot) que cobre -40°C até 100°C será suficiente. A faixa de -40°C a 100°C é uma área viável para medir. Em qualquer caso, passado esse intervalo, o resto da electrónica do satélite pode ter problemas.

LEO Light

Similiarmente, um sensor de detecção de luz, para um picossatélite giratório, é provável que retorne apenas um sinal binário: Sol super-brilhante à vista e Sol não à vista. Então tudo o que ele medirá é o tempo de quando o Sol está à vista. A função dos sensores de luz será em grande parte binária, para capturar ciclos sol-escuro à medida que gira, bem como o ciclo geral dia/noite da órbita. Se houver um ligeiro tombo no satélite, tanto melhor. Estes sensores de luz fornecerão uma medida básica da posição e tombamento do satélite. Se quiser medir os níveis reais de luz, o seu design terá de garantir que o Sol não satura o seu detector.

LEO Campo Magnético

A ionosfera tem uma força de campo da ordem de 0,3-0,6 gauss, com flutuações de 5%. Para uma órbita polar, você terá maior variabilidade e campos magnéticos mais altos que uma órbita equatorial (como as linhas de campo magnético da Terra mergulham perto dos pólos, daí as auroras). Se você quiser medir a flutuação, não a força do campo, você precisa capturar sinais de 0,06-0,1 gauss. Um sensor de efeito Hall de $10 mais um op-amp pode medir variações até 0,06 gauss se não houver um grande campo magnético externo. Abaixo disso, o ruído dos circuitos do seu sensor, não do sensor, será provavelmente o factor limitador.

E que tal danos causados por partículas (radiação)?

A vida útil da missão é curta (menos de três meses), por isso não precisa de se preocupar com danos cumulativos. Eu costumava fazer modelos de danos por radiação na escola, e acontece que a eletrônica moderna é surpreendentemente robusta em escalas de tempo curtas. Você terá principalmente perturbações de um único evento (SEPs) que embaralham um sensor ou computador, mas como você provavelmente não precisa de 100% de tempo de atividade, isso não deve ser um problema. Na verdade, falhas irão adicionar um carácter interessante aos seus dados derivados. Se você encontrar, digamos, uma tempestade solar, será interessante ver como os sensores lidam com ela, seja com saturação ou com sinais espúrios. Um contador proporcional ou equivalente ersatz (como um microDig Reach) pode medir estas contagens de partículas.

E finalmente, o mais importante a saber:

Qual é a minha missão?

Pois o que raio quer que o seu picosatelite faça? Você pode dividir as escolhas típicas do picosatélite em missões científicas, missões de engenharia e obras de arte. Uma carga útil de ciência mede coisas. Uma carga útil de engenharia testa hardware ou software. Um projeto artístico instanta um conceito elevado. Iremos visitar cada um.

Ciência!

Numa missão de ciência, o seu picosatélite irá medir alguma coisa. A ciência é a medida no seu coração. Há três tipos de missões que você pode fazer: apontar, in-situ, e construir engenharia.

Uma missão apontando é como um telescópio. Seu picossatélite aponta para um objeto de interesse – o Sol, a Lua, as estrelas, o fundo do céu, ou a Terra – e observa-o. Note que apontar para a Terra requer uma licença – não é difícil de obter, mas a privacidade é protegida no espaço do hobby.

Pode apontar aleatoriamente, mas isso não parece ser muito útil. Pode definir um modo de levantamento, onde o seu picosatélite recebe uma orientação específica na sua órbita de modo a que, em cada órbita, ele varra o céu de uma forma previsível. Ou, pode fazer apontamentos activos, fazendo com que o picosatélite olhe para onde quiser.

Apontamento activo é bastante desafiante. Você precisa saber a sua posição com muita precisão. Usando referências inercial – o conhecimento da órbita inicial mais a previsão interna de como o satélite está viajando – é inexato para fins de apontamento de sensores. Portanto, apontar normalmente requer algum tipo de star-trackers. Estes são dois ou mais telescópios de campo largo que imaginam o céu e o comparam com um catálogo de estrelas de referência brilhante conhecidas a bordo.

Rastreamento de estrelas é tecnicamente complexo, e provavelmente além das limitações de peso e design de um típico satélite picossatélite. Contudo, veja “Engenharia!” abaixo, para mais informações sobre isto.

Um uso mais comum da ciência de picosatélites é a medição in-situ. Este é o uso de sensores que medem a região em que o satélite se encontra sem necessidade de apontar. Um termômetro é um exemplo perfeito de um detector in-situ. Ele mede a temperatura, e não é necessário apontar com precisão para saber que funciona.

Outras medições in-situ do LEO podem incluir o campo eléctrico e magnético na ionosfera, a luz do Sol ou o brilho reflectido da Terra, medir a densidade ionosférica, ou seguir a cinemática da sua órbita e posicionamento (como se está a mover).

Or talvez não queira medir algo cientificamente, só queira construir coisas. Isso é engenharia.

Engenharia!

Um picossatélite de engenharia usa a plataforma para experimentar alguns novos conceitos de hardware espacial, ou para lhe dar prática na construção das suas próprias variantes de hardware espacial conhecido.

Pode fazer um picosatélite para testar qualquer um dos componentes de hardware. Um novo sistema de energia, um novo método de posicionamento, um novo tipo de comunicação por rádio ou relé, novos sensores – qualquer componente do satélite pode ser construído e melhorado.

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Alguns projectos de picos satélites envolveram testes – numa pequena escala – novos conceitos de propulsão por satélite, desde motores de iões a velas solares. Quer testar uma estação espacial insuflável em miniatura, ou ver se consegue fazer um picossatélite que se desdobra para formar um grande ponto de ressalto de rádio presunto? Construa-o!

Outro motivo de engenharia pode ser testar componentes específicos: por exemplo, comparar uma plataforma electrónica personalizada com um componente comercial de prateleira (COTS) para ver se os satélites (de qualquer tamanho) podem ser mais económicos. Ou pode testar novos métodos de compressão de dados ou métodos alternativos de fazer operações a bordo.

Inovação em operações é um subconjunto de objectivos de engenharia que vale a pena explorar mais. Picos satélites podem ser usados para testar a coordenação de uma constelação de satélites. Eles podem ser bancos de teste para estudos de mecânica orbital, ou lições em operações coordenadas de satélites. Como a forma mais barata de ter acesso ao espaço, são excelentes bancos de ensaio para fazer protótipos de novas formas de trabalho com satélites antes de passar para missões de milhões de dólares.

Art Concept!

Finalmente, há peças conceituais. Meu próprio “Projeto Calliope” TubeSat reúne medidas in-situ da ionosfera e as transmite à Terra como música, um processo chamado sonificação. A intenção é devolver uma noção do ritmo e do nível de actividade do espaço, em vez de dados numéricos, para que possamos ter uma noção de como o sistema Sol-Terra se comporta.

Você pode lançar um satélite para fazer qualquer coisa. Envie cinzas para o espaço. Envie uma bandeira de oração dos Himalaias. Lance a sua aliança de titânio em órbita. Qualquer ideia de arte, música ou arte/música/ciência híbrida é bem-vinda porque é o seu satélite. Basta dar-lhe um propósito ou utilidade para além do espectáculo de poder lançar o seu próprio satélite.

Solver um problema de Decadal para Toda a Humanidade

Her um exercício de design que lhe pede para inventar um satélite. A questão não é se você pode construir, mas se você pode conceber e delinear uma idéia que vale a pena construir em primeiro lugar.

Escolha um dos objetivos do decadal para observação da Terra, heliofísica, astronomia ou ciência planetária, e projete um conceito de missão para cumprir essa tarefa usando uma pequena plataforma de satélite-NASA SMEX ou menor.

Invent o seu satélite e faça um pitch de cinco minutos que você apresentaria à NASA para pedir financiamento. Limite-se a um satélite com um ou dois (no máximo) instrumentos. Aqui estão alguns links de referência de decadal:

• http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
• http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
• http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
• http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
• http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
• http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Um exemplo de um objectivo de decadal, a partir da observação da Terra, pode ser:

Mudar as camadas de gelo e o nível do mar. Haverá um colapso catastrófico dos principais lençóis de gelo, incluindo os da Gronelândia e da Antártida Ocidental e, em caso afirmativo, com que rapidez isso irá ocorrer? Quais serão os padrões de tempo da subida do nível do mar como resultado?

Uma boa inclinação pode incluir:

• Um gráfico resumo da missão (tipo/comprimento de onda/baliza/quem/orbit)
• História de quaisquer missões passadas que abordaram isto
• Lista de carga de instrumentos desejada: que tipos de instrumentos e o que cada um deles mede mais se precisa ou não de uma óptica de focagem
• Intervalo de resolução por detector (espacial, espectral, tempo, brilho)
• Estimativa de custos, baseada em comparação/analogia a missões similares

Para avaliar um bom tom, considere se:

• Seu objectivo e satélite são plausíveis.
• A sua abordagem parece ser claramente a abordagem certa para a tarefa.

Esta é a habilidade tanto das propostas empresariais como académicas, onde deve não só convencer o público de que é a pessoa certa para a tarefa, mas também que a tarefa em si vale a pena fazer!

Construir o seu próprio satélite picos não é apenas um meio para um fim, mas um objectivo em si. Mesmo que nunca o lance, as habilidades e a experiência que ganha ao fazer o seu próprio satélite real pode ser uma experiência fantástica.

Este artigo é adaptado de DIY Satellite Platforms e DIY Instruments for Amateur Space por Sandy Antunes. Esta série, que também inclui Surviving Orbit the DIY Way, é um recurso profundo e de fácil utilização para os futuros construtores de naves espaciais, disponível no Maker Shed no site makershed.com. Veja o quarto livro da série, DIY Data Communication for Amateur Spacececraft, a chegar este Verão.