Alai

Todo lo que pido es un lanzamiento exitoso, una señal de radio limpia y una vida lo suficientemente larga como para lograr ese objetivo.

Si los globos de gran altitud no son lo suficientemente altos, si te sientes frustrado por el ritmo del desarrollo espacial o si simplemente te gustan mucho los cohetes y el hardware, creo que lanzar tu propio satélite es una excelente decisión. Pero primero, ¿qué quieres que haga tu satélite? Aquí hay 7 cosas clave que debes saber antes de lanzar tu nave espacial personal en órbita a 17.000 millas por hora.

¿Qué es un picosatélite?

Los picosatélites, por definición, son satélites extremadamente pequeños y ligeros. Cualquier picosatélite tenderá a tener estos componentes principales:

• Una antena
• Un transmisor de radio para subir comandos o descargar sus datos
• Un ordenador en un chip como un Arduino o un Basic-X24
• Un sistema de energía, a menudo células solares más una batería más un bus de energía
• Sensores

El progenitor de la clase pico es el CubeSat, una arquitectura de código abierto que le permite empacar cualquier cosa que desee en el cubo de 10cm × 10cm × 10cm.

El CubeSat es un satélite tan bonito como una calabaza. Forbes informó sobre un proveedor, Pumpkin Inc, que suministra CubeSats prefabricados. El CubeSat en sí mismo es una especificación, no una pieza de hardware disponible, por lo que Pumpkin decidió preconstruir kits y venderlos. Si tienes tu propio cohete para lanzar tu CubeSat, por 7.500 dólares te venderán un kit de CubeSat.

Esto es perfectamente paralelo al TubeSat de InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) tiene la ventaja en cuanto a la relación precio/rendimiento, ya que incluyen el lanzamiento por el mismo coste. Pero parece que ni IOS ni Pumpkin proporcionan precompuestos, sólo kits. Así que sigue habiendo trabajo de aficionado, pero los kits eliminan la necesidad de ingeniería y sólo dejan la parte divertida del montaje y la integración.

TubeSats y CubeSats son ligeramente diferentes, por supuesto, y estoy increíblemente contento de que ambos estén avanzando en la idea de los kits de plataforma. Es un gran paso en la mercantilización de la investigación espacial. Incluso si el mini CubeSat se parece inquietantemente a una caja de Hellraiser Lemarchand.

¿Cuánto cuesta el lanzamiento?

Si construyes un CubeSat, asegurar un cohete para lanzarlo no es difícil, simplemente caro. El coste típico del lanzamiento de un CubeSat se estima en 40.000 dólares. Hay varios proveedores comerciales que prometen futuros cohetes CubeSat, suponiendo que completen su desarrollo. Varios proyectos de la NASA y de la Estación Espacial Internacional aceptan algunas propuestas que utilizan la arquitectura CubeSat. Cada año hay más empresas que entran en el negocio de los lanzamientos privados, por lo que las perspectivas de conseguir un lanzamiento son cada vez más sólidas.

La arquitectura TubeSat de InterOrbital Systems es un esquema alternativo. Actualmente sólo apoyado por InterOrbital, es muy rentable. Se obtienen los esquemas, los principales componentes de hardware y un lanzamiento en su cohete aún en desarrollo por el único precio de 8.000 dólares. Un TubeSat utiliza una arquitectura hexagonal ligeramente más larga, de 12 cm de longitud y 4 cm de diámetro.

También se puede trabajar con una arquitectura personalizada si se tiene acceso al lanzamiento de un cohete (a través de un colegio o universidad, quizás), pero actualmente los dos principales actores son la especificación abierta CubeSat y la alternativa privada TubeSat.

¿Dónde está la órbita?

¿Dónde irá su picosatélite? Es casi un hecho que su picosatélite irá a la órbita terrestre baja (LEO), una amplia banda que va desde unos 150 km hasta quizás 600 km. Esta es la región en la que también se encuentran muchos satélites científicos y la Estación Espacial Internacional (ISS). Está dentro y debajo de la ionosfera, la parte muy, muy fina de la atmósfera que también coincide con gran parte del campo magnético de la Tierra.

El campo magnético de la Tierra nos protege de la actividad más feroz del Sol. Las partículas de alta energía, las emisiones de llamaradas y las eyecciones de masa coronal (CME, básicamente manchas de materia solar) son desviadas por el campo magnético antes de que puedan llegar al suelo. Cuando las líneas del campo magnético se sumergen cerca de los polos, esta energía se expresa en forma de aurora.

Por encima de la ionosfera, el entorno espacial puede ser hostil debido a la actividad solar. Por debajo de ella, los riesgos de radiación son mucho menores. Por eso la ISS se mantiene en LEO. LEO es, en el fondo, lo más seguro que puede haber en el espacio. También es donde es probable que viva su picosatélite.

Una órbita LEO típica tiene un periodo de unos 90 minutos. Es decir, gira alrededor de la Tierra una vez cada 90 minutos, realizando unas 15 órbitas al día. Las órbitas pueden situarse cerca del ecuador de la Tierra (órbitas ecuatoriales) o hacer un bucle desde el Polo Norte al Polo Sur (órbitas polares). Asimismo, las órbitas pueden ser casi circulares o muy excéntricas, es decir, acercarse a la Tierra en un extremo de la órbita y alejarse en el otro.

¿Cuánto tiempo durará mi satélite?

Su órbita está totalmente determinada por lo que le haya vendido su proveedor de cohetes. A nivel de aficionado, lo más probable es que obtengas una órbita estándar casi circular de unos 250 km, ya sea ecuatorial o polar. Una órbita de este tipo dura (debido al arrastre de la tenue ionosfera) de 3 a 16 semanas antes de que el satélite sufra una feroz reentrada.

En masas de picosatélites, esto significa que su satélite subirá y no regresará. Tiene menos de tres meses para recoger datos. El picosatélite se vaporizará en el momento de la reentrada (¡sin riesgo de chatarra espacial!)

¿Cómo es el tiempo allí arriba?

Condiciones y viabilidad de la ionosfera

La ionosfera se llama así porque es un plasma muy fino de átomos (iones) y electrones cargados eléctricamente, debido a la radiación ultravioleta (UV) del Sol. Técnicamente se extiende desde unos 50 km hasta más de 1.000 km (¡gracias Wikipedia!), pero la LEO comienza a los 150 km, por debajo de los cuales no se puede mantener una órbita estable. La ionosfera, como ya se ha dicho, está impulsada por la actividad solar. La parte orientada hacia el Sol está más ionizada; además, la actividad solar puede influir mucho en su comportamiento. También se producen depresiones en la línea del campo magnético, lo que provoca un aumento de la radiación en las altitudes más bajas. Hemos mencionado los polos, y regiones como la Anomalía del Atlántico Sur (SAA) también tienen líneas de campo que se sumergen más abajo.

Si está enviando sensores, querrá asegurarse de un par de cosas:

• Tienen un nivel de sensibilidad apropiado para el nivel de señal que está tratando de medir.
• Tienen un rango dinámico que le permite extraer datos significativos.

Temperaturas de LEO

Una placa metálica en LEO tendrá un ciclo de -170°C a 123°C dependiendo de su cara al Sol y su tiempo en la luz solar. Si tu picosatélite está girando, esto igualará un poco la distribución del calor, pero ese es el rango a asumir. Una órbita tiene aproximadamente la mitad de su tiempo en la luz del sol y la otra mitad en la sombra de la Tierra, por lo que el comportamiento de la temperatura vale la pena modelar.

Dado que el picosatélite está girando, este rango es, afortunadamente, más pequeño (ya que el calor tiene tiempo para distribuir y disipar), y con una órbita de 90 minutos, debe pasar por tres rangos: demasiado frío para registrar; regiones de transición donde el sensor devuelve datos válidos, que cambian lentamente; y, posiblemente, sobresaturado en el extremo superior. Puede añadir un calefactor si es necesario: los satélites han utilizado calefactores y refrigeradores según el instrumento y la orientación.

Por lo tanto, un sensor térmico (como un sensor de la marca microDig Hot) que cubra de -40°C a 100°C será suficiente. El rango de -40°C a 100°C es un área factible de medir. En cualquier caso, más allá de ese rango, el resto de la electrónica del satélite puede tener problemas.

Luz LEO

De la misma manera, un sensor de detección de luz, para un picosatélite giratorio, es probable que devuelva sólo una señal binaria: Sol superbrillante a la vista y Sol no a la vista. Por tanto, lo único que medirá es el momento en que el Sol está a la vista. La función de los sensores de luz será en gran medida binaria, para captar los ciclos de sol-oscuridad a medida que gira, así como el ciclo general día/noche de la órbita. Si el satélite da una ligera voltereta, mejor. Estos sensores de luz proporcionarán una medida básica de la posición del satélite y de su volteo. Si quiere medir los niveles de luz reales, su diseño tendrá que asegurar que el Sol no sature su detector.

Campo magnético del LEO

La ionosfera tiene una intensidad de campo del orden de 0,3-0,6 gauss, con fluctuaciones del 5%. Para una órbita polar, tendrá una mayor variabilidad y campos magnéticos más altos que una órbita ecuatorial (ya que las líneas de campo magnético de la Tierra se sumergen cerca de los polos, de ahí las auroras). Si quieres medir la fluctuación, no la intensidad del campo, necesitas capturar señales de 0,06-0,1 gauss. Un sensor de efecto Hall de 10 dólares y un amplificador óptico podrían medir variaciones de hasta 0,06 gauss si no hay un gran campo magnético externo. Por debajo de eso, el ruido de los circuitos de su sensor, no el sensor, probablemente será el factor limitante.

¿Qué pasa con los daños por partículas (radiación)?

La vida de la misión es corta (menos de tres meses), por lo que no necesita preocuparse por el daño acumulativo. Yo solía hacer modelos de daños por radiación en la escuela, y resulta que la electrónica moderna es sorprendentemente robusta en escalas de tiempo cortas. Lo más probable es que se produzcan alteraciones de un solo acontecimiento (SEP) que perturben un sensor o un ordenador, pero como es probable que no necesites un tiempo de funcionamiento del 100%, esto no debería ser un problema. De hecho, los fallos añadirán un carácter interesante a tus datos derivados. Si te encuentras, por ejemplo, con una tormenta solar, será interesante ver cómo los sensores se enfrentan a ella, ya sea con saturación o con señales espurias. Un contador proporcional o su equivalente (como un microDig Reach) puede medir estos recuentos de partículas.

Y por último, lo más importante que hay que saber:

¿Cuál es mi misión?

¿Qué diablos quieres que haga tu picosatélite? Puedes dividir las opciones típicas de los picosatélites en misiones científicas, misiones de ingeniería y obras de arte. Una carga útil científica mide cosas. Una carga útil de ingeniería prueba el hardware o el software. Un proyecto de arte instala un concepto elevado. Vamos a visitar cada uno de ellos.

¡Ciencia!

En una misión científica, tu picosatélite medirá algo. La ciencia se basa en la medición en su corazón. Hay tres tipos de misiones que puedes hacer: apuntando, in-situ, y construcciones de ingeniería.

Una misión apuntando es como un telescopio. Su picosatélite apunta a un objeto de interés -el Sol, la Luna, las estrellas, el fondo del cielo o la Tierra- y lo observa. Tenga en cuenta que para apuntar a la Tierra se necesita una licencia, que no es difícil de conseguir, pero la privacidad está protegida en el espacio para aficionados.

Puede apuntar al azar, pero eso no parece muy útil. Puede establecer un modo de estudio, en el que a su picosatélite se le da una orientación específica en su órbita para que, en cada órbita, barra el cielo de forma predecible. O bien, puede hacer un apuntamiento activo, haciendo que el picosatélite mire hacia donde usted quiera.

El apuntamiento activo es bastante desafiante. Necesitas conocer tu posición con mucha precisión. El uso de referencias inerciales -el conocimiento de la órbita inicial más la predicción interna de cómo se desplaza el satélite- es inexacto para los propósitos de apuntado del sensor. Por lo tanto, el apuntamiento suele requerir algún tipo de rastreadores estelares. Se trata de dos o más telescopios de campo amplio que toman imágenes del cielo y las comparan con un catálogo de estrellas brillantes conocidas a bordo.

El seguimiento estelar es técnicamente complejo, y probablemente supera las limitaciones de peso y diseño de un picosatélite típico. Sin embargo, ver «Ingeniería» más adelante, para más información sobre esto.

Un uso científico más común de los picosatélites son las mediciones in-situ. Se trata del uso de sensores que miden la región en la que se encuentra el satélite sin necesidad de apuntar. Un termómetro es un ejemplo perfecto de detector in situ. Mide la temperatura y no es necesario apuntarlo con precisión para saber que funciona.

Otras mediciones in situ desde LEO pueden incluir el campo eléctrico y magnético en la ionosfera, la luz del Sol o el resplandor reflejado de la Tierra, la medición de la densidad ionosférica o el seguimiento de la cinemática de su órbita y posicionamiento (cómo se está moviendo).

O tal vez usted no quiere medir algo científicamente, sólo quiere construir cosas. Eso es ingeniería.

¡Ingeniería!

Un picosatélite de ingeniería utiliza la plataforma para probar algunos conceptos nuevos de hardware espacial, o para darte práctica en la construcción de tus propias variantes de hardware espacial conocido.

Puedes hacer un picosatélite para probar cualquiera de los componentes de hardware. Un nuevo sistema de alimentación, un nuevo método de posicionamiento, un nuevo tipo de comunicaciones por radio o relé, nuevos sensores… en realidad, se puede construir y mejorar cualquier componente del satélite.

Algunos proyectos de picosatélites han consistido en probar -a pequeña escala- nuevos conceptos de propulsión de satélites, desde motores iónicos hasta velas solares. ¿Quieres probar una estación espacial inflable en miniatura, o ver si puedes hacer un picosatélite que se despliegue para formar un gran punto de rebote de radioaficionados? Constrúyelo.

Otro motivo de ingeniería puede ser probar componentes específicos: por ejemplo, comparar un equipo electrónico hecho a medida con un componente comercial disponible (COTS) para ver si los satélites (de cualquier tamaño) pueden ser más rentables. O se pueden probar nuevos métodos de compresión de datos o métodos alternativos para realizar operaciones a bordo.

La innovación en las operaciones es un subconjunto de objetivos de ingeniería que merece la pena explorar más a fondo. Los picosatélites podrían utilizarse para probar la coordinación de una constelación de satélites. Pueden ser bancos de pruebas para estudios de mecánica orbital, o lecciones sobre operaciones coordinadas de satélites. Al ser la forma más barata de acceder al espacio, son excelentes bancos de pruebas para crear prototipos de nuevas formas de trabajar con satélites antes de pasar a misiones millonarias.

¡Concepto artístico!

Por último, hay piezas conceptuales. Mi propio TubeSat «Proyecto Calíope» recoge mediciones in situ de la ionosfera y las transmite a la Tierra en forma de música, un proceso llamado sonificación. La intención es devolver una sensación del ritmo y el nivel de actividad del espacio, más que datos numéricos, para que podamos hacernos una idea de cómo se comporta el sistema Sol-Tierra.

Puedes lanzar un satélite para hacer cualquier cosa. Enviar cenizas al espacio. Enviar una bandera de oración del Himalaya. Poner en órbita tu alianza de titanio. Cualquier idea artística, musical o híbrida de arte/música/ciencia es bienvenida porque es tu satélite. Sólo tienes que darle un propósito o una utilidad más allá del mero espectáculo de poder lanzar tu propio satélite.

Resuelve un problema decenal para toda la humanidad

Aquí tienes un ejercicio de diseño que te pide que inventes un satélite. La cuestión no es si puedes construirlo, sino si puedes concebir y esbozar una idea que merezca la pena construir en primer lugar.

Elige uno de los objetivos decenales para la observación de la Tierra, la heliofísica, la astronomía o la ciencia planetaria, y diseña un concepto de misión para cumplir con esa tarea utilizando una plataforma de satélite pequeña -SMEX de la NASA o más pequeña.

Inventa tu satélite y haz una presentación de cinco minutos que presentarías a la NASA para pedir financiación. Limítate a un satélite con uno o dos (como máximo) instrumentos. Aquí tienes algunos enlaces de referencia decenal:

• 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/

Un ejemplo de objetivo decenal, desde la observación de la Tierra, podría ser:

Cambio de las capas de hielo y del nivel del mar. ¿Se producirá un colapso catastrófico de las principales capas de hielo, incluidas las de Groenlandia y la Antártida Occidental y, en caso afirmativo, con qué rapidez ocurrirá? ¿Cuáles serán los patrones temporales del aumento del nivel del mar como resultado?

Una buena propuesta podría incluir:

• Un cuadro resumen de la misión (tipo/longitud de onda/objetivo/quién/órbita)
• Historia de cualquier misión anterior que haya abordado esto
• Lista de la carga instrumental deseada: qué tipos de instrumentos y qué mide cada uno, además de si necesita o no óptica de enfoque
• Gama de resolución por detector (espacial, espectral, de tiempo, de brillo)
• Estimación de costes, basada en la comparación/analogía con misiones similares

Para evaluar un buen lanzamiento, considere si:

• Su objetivo y su satélite son plausibles.
• Su enfoque parece claramente el adecuado para la tarea.

Esta es la habilidad tanto de las propuestas empresariales como de las académicas, en las que no sólo debe convencer al público de que usted es la persona adecuada para la tarea, sino también de que la tarea en sí merece la pena.

Construir su propio picosatélite no es sólo un medio para conseguir un fin, sino un objetivo que merece la pena en sí mismo. Incluso si nunca lo lanzas, las habilidades y la experiencia que adquieres al hacer tu propio satélite real pueden ser una experiencia impresionante.

Este artículo es una adaptación de DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space de Sandy Antunes. Esta serie, que también incluye Surviving Orbit the DIY Way, es un recurso profundo y fácil de usar para los aspirantes a constructores de naves espaciales, disponible en Maker Shed en makershed.com. El cuarto libro de la serie, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, estará disponible este verano.