Satélites tipo CubeSat
Los cubesats son satélites muy pequeños construidos de forma estandarizada, lo que facilita su desarrollo. Este tipo de satélite se agrupa en unidades básicas dispuestas como cubos de 10 cm cúbicos, de 1 kg de peso o menos, los que se disponen y lanzan completamente cerrados en un contenedor en conjunto con otras unidades para formar un grupo de unidades más grande, actualmente estandarizada hasta en 16 unidades.
Figura 1: Descripción de un satélite cubesat.
El concepto de cubesat fue introducido formalmente en 1999 por grupos universitarios como una plataforma educativa, que buscaba brindar a los estudiantes experiencia práctica en la construcción, lanzamiento y operación de una nave espacial. Desde ahí, a partir de diferentes aplicaciones, se ha demostrado que los cubesats tienen un enorme potencial, pues comparten muchos factores de las innovaciones disruptivas que impulsan su desarrollo, tales como:
• Bajo costo de manufactura por estandarización de sus componentes y producción en masa, lo que se debe a la utilización de electrónica en miniatura, bajo la lógica de microprocesadores.
• Rápida mejora de las capacidades posibles de los cubesats, a partir de sus diversos usos de nicho en comunidades de investigación y áreas comerciales.
• Existencia de alta demanda en servicios de observación de la Tierra, en diversas áreas como la agricultura, meteorología y seguridad social, entre otras.
• Mejor precisión en las mediciones al trabajar en grupos, siguiendo la lógica de los procesadores paralelos y las granjas de servidores.
• Posibilidad asequible de lanzamiento a menor costo que los satélites convencionales, mayores en tamaño y sofisticación.
Un programa pionero de investigación basado en cubesat fue lanzado en 2008 dentro de la National Science Foundation (NSF), el equivalente a la chilena Conicyt. En particular, la División de Ciencias Atmosféricas y Geoespaciales de NSF fue responsable del primer soporte sistemático de las investigaciones científicas basadas en cubesats en Estados Unidos y condujo a un compromiso creciente con las universidades estadounidenses e internacionales. Además, un sector comercial en crecimiento para el uso de cubesats para las observaciones de la Tierra y la teledetección, también ha ayudado a estimular rápidamente el desarrollo tecnológico. La demanda comercial ha dado lugar a un rápido crecimiento a la industria de los proveedores de componentes. Estos usuarios y proveedores comerciales son ahora los principales impulsores del desarrollo de tecnología para cubesats, y muchas tecnologías o subsistemas pueden adquirirse de forma gratuita por grupos que buscan utilizar cubesats para abordar objetivos científicos y / o aplicaciones basadas en el espacio.
Figura 2: Número acumulado de cubesats lanzado por organización. FUENTE: Datos de "CubeSat Database", 2018 (consultado en 28 agosto de 2018, link: https://www.nanosats.eu/).
En Estados Unidos, el uso de cubesats para la ciencia ha crecido rápidamente desde 2010 debido al programa de NSF y a un aumento del interés de su uso en varios programas de la NASA (ver figura 2). Más del 80% de todos los cubesats científicos se lanzaron entre 2012 y 2018. De manera similar, más del 80% de los artículos revisados por pares que describen nueva ciencia basada en datos de cubesats se han publicado en los últimos 6 años. Esta tecnología ha probado ser útil en investigaciones específicas para aumentar las capacidades de las grandes misiones y las instalaciones terrestres, permiten nuevos tipos de mediciones, y tienen el potencial de mitigar brechas en las mediciones donde la continuidad es crítica.
Finalmente, a nivel mundial, al menos 15 compañías han declarado sus intenciones para desarrollar constelaciones planificadas de nanosatélites de órbitas bajas o medias (ver figura 3).
Figura 3: Estado de avance de compañías con planes de lanzar constelaciones de cubesats al espacio.
Aplicaciones de uso de los satélites cubesat
Actualmente, los cubesats se destacan en misiones más simples, enfocadas o de corta duración que necesitan ser comparativamente de bajo costo o que requieren mediciones multipunto. Con frecuencia, los objetivos de las misiones que involucran cubesats se dirigen a la ciencia específica, a menudo en coordinación con otras naves espaciales, o utilizan órbitas sacrificables o de alto riesgo que conducen a la desaparición del satélite después de que se han recopilado datos críticos. Otros objetivos se relacionan con el uso de cubesats como constelaciones o enjambres que despliegan decenas o cientos de cubesats que funcionan como una matriz distribuida de mediciones. Dado lo anterior, el conjunto de objetivos científicos en los que el uso de cubesats sería favorable está evolucionando vertiginosamente.
En los siguientes ejemplos se mencionan algunos de los objetivos científicos que potencialmente pueden ser perseguidos mediante la utilización de cubesats.
• Física solar y espacial, ciencias de la Tierra y aplicaciones del espacio - Exploración de la región de la frontera atmosférica de la Tierra. Los cubesats son especialmente adecuados debido a su prescindibilidad para explorar los procesos científicos que dan forma al límite superior de la atmósfera utilizando órbitas de vida corta y baja altitud.
• Ciencias de la Tierra y aplicaciones desde el espacio - Resolución multipunto, alta y temporal de los procesos de la Tierra. Las constelaciones de satélites en órbita terrestre baja podrían proporcionar observaciones tanto globales como diurnas de los procesos de la Tierra que varían a lo largo del día, como las tormentas severas, y actualmente están siendo muestreados por observatorios sincrónicos del Sol.
• Ciencia planetaria - Investigación in situ de las propiedades físicas y químicas de las superficies o atmósferas planetarias: cubesats desplegables (hijas) podrían ampliar el alcance de las naves nodrizas con la ciencia complementaria o la exploración del espacio seleccionado.
• Astronomía y astrofísica, física solar y espacial - Ciencia de radio de baja frecuencia: Los interferómetros hechos de cubesats podrían explorar el entorno espacial local y también las fuentes galácticas y extra galácticas con resolución espacial de formas no accesibles desde la Tierra.
• Ciencias biológicas y físicas en el espacio - Investigar la supervivencia y la adaptación de los organismos al espacio: cubesats ofrece una plataforma para comprender los efectos del entorno que se encuentra en el espacio profundo, como la microgravedad y los altos niveles de radiación.
Utilización de cubesat en programas espaciales
Es posible nombrar una serie de posibilidades derivadas a partir de las oportunidades que presenta el desarrollo de cubesats para un programa espacial:
• Utilizar las misiones científicas habilitadas por cubesat como oportunidades prácticas de capacitación para desarrollar las habilidades principales de liderazgo científico, de ingeniería y gestión de proyectos de investigadores entre los estudiantes y los profesionales de las primeras etapas de la carrera.
• Aprovechar el alto potencial de medición que representan los cubesats para la ciencia espacial, la astrofísica, el clima y ciencias planetarias, entre otras, a partir de la medición que es posible obtener en base a constelaciones de 10 a 100 naves espaciales cubesats, siendo de utilidad desarrollar la capacidad de implementar misiones de constelación a gran escala aprovechando la tecnología derivada de cubesats y una filosofía de desarrollo evolutivo. Ahora bien, la capacidad de hacer ciencia con cubesats depende en gran medida de las capacidades tecnológicas disponibles para los investigadores.
• Las diversas agencias relacionadas a misiones científicas del tipo espacial deberían invertir en programas de desarrollo tecnológico en cuatro áreas que tendrán el mayor impacto en las misiones científicas:
o Comunicaciones de gran ancho de banda
o Control de precisión de altitud o Control de precisión de propulsión
o Desarrollo de tecnología de instrumentos miniaturizados.
• Finalmente, como parte de la estructura de gestión de cubesats, se debe analizar las capacidades privadas de forma continua y asegurarse de que sus propias actividades estén coordinadas con los desarrollos privados, para con ello determinar si existen áreas para aprovechar beneficiosas alianzas estratégicas en el sector privado. Para posibilitar todo el potencial científico derivado de la utilización de los CubeSats, las inversiones estatales siguen siendo cruciales, especialmente en áreas no vinculadas en forma directa con inversiones comerciales.
Experiencia chilena en tecnología satelital
En el ámbito satelital, el gobierno de Chile ha desarrollado diversas actividades espaciales, concentradas entre 1960 y 2000 en el Ministerio de Relaciones Exteriores y en un Comité de Asuntos Espaciales radicado en la Fuerza Aérea de Chile (FACH). Respecto a tecnología satelital, destaca el desarrollo del Programa Espacial de la FACH/DGAC con sus proyectos científicos y experimentales FASat Alfa y Bravo.
A partir del año 2000 hasta 2011 el gobierno mantiene una Comisión Asesora Presidencial denominada Agencia Chilena del Espacio (ACE), con la que se avanza en la elaboración de propuestas de institucionalidad (Proyecto de Ley de creación de una Agencia Chilena del Espacio), de una Política Nacional Espacial el año 2006 y la adquisición de un satélite de observación de la Tierra el año 2008.
En 2011, se lanza el SSOT, primer sistema operacional de observación de la Tierra de alta resolución de Chile, más conocido como FASat Charlie, construido por Airbus Defence an Space en Toulouse, permitiendo a Chile acceder a imágenes de satélite de alta calidad, incluyendo con ello una amplia gama de aplicaciones derivados de su uso.
A nivel de la academia, en el año 2010 la Universidad de Chile da inicio a un Programa de Desarrollo Satelital en base a la construcción de un nanosatélite tipo cubesat, SUCHAI I, que finalmente fue lanzado durante el mes de junio de 2017 y se encuentra operativo, constituyendo la primera iniciativa civil nacional para el desarrollo de estas tecnologías. SUCHAI I, a un año de su lanzamiento, ha logrado completar más de cinco mil vueltas en torno a la Tierra, a un ritmo de 15 vueltas por día, de los que cuatro pasan por Chile, momentos en que el equipo se conecta y descarga toda la información posible, habiendo bajado cerca de 80 MB de información, entre los que se cuentan más de 180 fotografías de la Tierra.
La continuidad de ese proyecto se encuentra en las versiones II y III del nanosatélite con recursos aportados por Conicyt. Para dicho desarrollo, la Universidad de Chile cuenta con un Laboratorio de Exploración Espacial y Planetaria (LEEP) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, donde se realiza investigación y desarrollo en el área de la instrumentación para las geo-ciencias con énfasis en la exploración espacial.
