Una mirada al espacio mediante pequeños satélites

El desarrollo de tecnología e investigación espacial está relacionado con la ingeniería aeroespacial, rama que cubre el sector dedicado al uso y desarrollo de actividades sobre el espacio ultraterrestre que pueden ser “la investigación científica, el desarrollo tecnológico, el diseño, fabricación, manufactura y operación de sistemas espaciales, la geolocalización y observación de la Tierra y del universo, entre otros”, señala el Catálogo de Análisis de capacidades de investigación y desarrollo tecnológico espacial en México de la Agencia Espacial Mexicana (AEM). La rama de lo aeronáutico también forma parte de esta ingeniería dedicándose a diversas áreas relacionadas con las aeronaves comerciales y militares.

Con un aproximado de seis mil millones de dólares en exportaciones mexicanas del sector en el año 2014, el sector aeroespacial del país ha atraído a compañías de alto nivel como Safran Group o Bombardier para generar y establecer centros y laboratorios de producción, así lo explica el Mapa de Ruta de la Industria Aeroespacial Mexicana del organismo Pro México. Sin embargo, con más de 270 empresas establecidas en México, 80 por ciento de estas dirige sus labores a manufactura, principalmente a aeronáutica.

No obstante, en los últimos años el sector espacial mexicano ha tomado mayor importancia por el esfuerzo de universidades y académicos por desarrollar investigación en el área, la creación de la AEM y la inversión de la industria en este rubro de la tecnología. Estos han sido antecedentes para que en septiembre de 2016 se llevara a cabo en Guadalajara, México, el International Astronautical Congress (IAC) organizado por la International Astronautical Federation (IAF) y el Space Generation Congress (SGC), por el Space Generation Advisory Council (SGAC), ambas instituciones de alto nivel en el área espacial que en sus respectivos congresos albergaron este año al más grande número de mexicanos. desde jóvenes estudiantes de licenciatura y posgrado hasta profesionistas y académicos, incentivando aún más el sector creciente en el país.

Para colaborar en “proyectos de investigación científica y tecnológica que contribuyan a generar el conocimiento requerido por el sector, para atender problemas, necesidades u oportunidades en materia espacial…”, se creó el Fondo Sectorial de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación en Actividades Espaciales del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y la AEM, establecido en 2014 y que ha apoyado con capital a numerosas investigaciones mexicanas en instituciones del país relacionadas con distintos aspectos del sector espacial.

De igual manera, el sector espacial mexicano ha sido apoyado por una de las redes temáticas de Conacyt, la Red de Ciencia y Tecnología del Espacio (Redcyte), «que se creó para conjuntar todos los desarrollos de esta índole a nivel nacional, para establecer proyectos en conjunto a través de la colaboración entre distintas instituciones y la realización de reuniones, talleres y seminarios, así como el otorgamiento de recursos para cada uno de estos”, explicó el responsable técnico de la misma, Carlos Romo Fuentes, experto en temas espaciales e investigador de la Unidad de Alta Tecnología (UAT) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

Esta unidad de investigación trabaja actualmente en varios proyectos, entre los que destacan el diseño e implementación de dos microsatélites, el Condor y el Quetzal, en colaboración con el Instituto de Aviación de Moscú (MAI, por sus siglas en ruso) y con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés).

Específicamente, respecto al desarrollo de satélites pequeños, nano y picosatélites, México ha obtenido buenos resultados al lograr desarrollar picosatélites cansat para concursos y formación educativa, y nanosatélites tipo cubesat, como el diseñado por la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla  (UPAEP) para monitorear aspectos de las emisiones del volcán Popocatépetl, entre otros esfuerzos.

Los satélites

Un satélite artificial es un objeto tecnológico que se coloca en órbita de algún cuerpo celeste para cumplir con algún fin u objetivo llamado misión y que en el caso de los satélites que orbitan la Tierra pueden ser utilizados para resolver cuestiones de telecomunicaciones, observación terrestre de recursos naturales, seguridad, estudios meteorológicos, investigación científica y una gran variedad de aplicaciones.

Dependiendo de la misión de cada satélite es que se designan las órbitas, es decir, la trayectoria que estos seguirán y en la que estos serán colocados, pueden ser órbitas elípticas o circulares. Existen diversas categorías de órbitas basadas en la inclinación entre el plano orbital y el plano ecuatorial de la Tierra. Estas son la órbita polar con inclinación a 90 grados y cuya función es cubrir zonas del norte y sur del planeta; órbita inclinada que va mayor a cero pero menor a 90 grados; órbita ecuatorial a cero grados y que gira alrededor del ecuador de la Tierra, siendo la última una de las más importantes pues los satélites de telecomunicaciones realizan este tipo de órbitas, específicamente órbitas geoestacionarias.

La altura del satélite con respecto al nivel del mar es otra forma de clasificar los satélites: satélites de órbita terrestre baja (LEO, por sus siglas en inglés) que van desde 200 a dos mil kilómetros y cuyo tiempo en dar la vuelta al planeta, o su llamado periodo, es de aproximadamente hora y media. Las órbitas terrestre medias (MEO, por sus siglas en inglés) tienen un periodo de seis horas. Los satélites en órbita geoestacionaria (GEO, por sus siglas en inglés) se encuentran a aproximadamente 35 mil kilómetros sobre la Tierra con un periodo de rotación semejante al terrestre, lo que permite que estos se encuentren fijos facilitando ciertos beneficios, esta es la órbita más usada. Finalmente, la órbita terrestre muy alta (HEO, por sus siglas en inglés).

Los satélites tienen gran variedad de aplicaciones, específicamente 12 señaladas por la International Telecommunications Union (ITU) entre las que se encuentran los servicios de investigación espacial, los usados para sistemas de posicionamiento global, para servicios de telecomunicaciones como teléfono e Internet, entre otros.

Además, estos artefactos también son clasificados de acuerdo con su masa en: satélites grandes mayores a una tonelada; medianos, de 500 kilogramos a una tonelada; minisatélites, de 100 a 500 kilogramos; microsatélites de 10 a 100 kilogramos; nanosatélites de uno a 10 kilogramos; y finalmente, los picosatélites, con masa menor a un kilogramo.

Los satélites funcionan mediante la constitución y operación de subsistemas para cumplir con su misión cuyo cumplimiento parcial recae en la carga útil que se les implementa. Dependiendo del tipo de satélite basado en las diferentes categorías que los diferencian, es que se conforman con algunos subsistemas, existiendo algunos básicos para su funcionamiento.

Los subsistemas de un satélite son: subsistema de comunicaciones, control térmico, energía, posicionamiento y alineación, propulsión, rastreo, telemetría y comando (TCC, por sus siglas en inglés), computadora de a bordo y estructural.

En las últimas décadas, se han implementado constelaciones de muchos satélites pequeños pues permiten obtener resultados positivos respecto a la cobertura de superficie terrestre y obtención de mejores resultados, dependiendo de la misión del grupo de satélites.

Pequeños satélites: estándar cubesat

Desde hace más de una década se ha desarrollado una gran industria e investigación relacionada con los cubesat, nanosatélites con especificaciones estandarizadas que permiten el fácil acceso al espacio. Pero, ¿por qué el estándar cubesat es tan usado? «Porque sirven para acercar las misiones espaciales a las universidades y a naciones que tradicionalmente estaban fuera del área espacial debido a que los costos de una misión espacial tradicional son de varios cientos de millones de dólares. Los costos de misión de cubesat son mucho más económicos, de algunas decenas de miles de dólares”, explicó el ingeniero aeronáutico Cuauhtémoc Funes Canizalez, experto en tecnología espacial y aeronáutica y quien actualmente realiza un posgrado en la UNAM relacionado con el tema.

Los cubesat son nanosatélites estandarizados con un máximo de 1.33 kilogramos de masa y definidos en unidades de cubos de 10 por 10 por 10 centímetros. Dentro de estas unidades se colocan los instrumentos o dispositivos que hacen funcionar el satélite como tarjetas electrónicas para controlar experimentos complejos y el resto de los subsistemas, “la ventaja del cubesat es que es modular y puede ser escalable hasta seis veces juntando los cubos e integrarse entonces cámaras, sensores. El sistema de potencia suministrará energía a todos los circuitos alimentados por celdas solares que cuando sean iluminados por la luz del Sol se surtirán de energía alimentando los subsistemas y, durante la penumbra, las baterías alimentarán el nanosatélite”, agregó.

Al estar establecidos todos los requerimientos de este tipo de satélites, el nivel de complejidad de desarrollarlos baja pues no es necesario implementar e innovar en gran medida; no obstante, el resultado de aprendizaje y creación de capacidades sí es grande.

El tipo de misiones que se pueden realizar con este tipo de pequeños satélites es muy diverso, “puede ser desde lanzar pequeños pulsos, un tipo de misión muy sencilla que sirve para que naciones o universidades se acerquen al área espacial pues realizar estos proyectos requiere trabajos de alta calidad y uso de materiales específicos, por ejemplo con aleaciones de aluminio 6061T6, y debe someterse a pruebas, por ejemplo de vibraciones para que no se destruya en el despegue si es enviado por cohete”, añadió.

Existe otro tipo de aplicaciones para estos satélites como la percepción remota que requiere niveles más altos de conocimiento, pues al tener que mantener enfocadas las cámaras hacia un solo punto en la Tierra, es necesario utilizar elementos de orientación pasivos, “esto es un reto porque todos los elementos electrónicos generan un campo magnético y la compatibilidad electromagnética debe controlarse en estos casos, pues todos estos instrumentos se encuentran a distancias de centímetros”, concluyó.

Una vez construidos y certificados, es decir, probados con la capacidad de soportar las condiciones extremas del espacio, son lanzados al espacio para colocarse en su órbita. Esto se realiza de distintas formas: mediante un cohete como carga secundaria, lanzados a partir de la Estación Espacial Internacional o como carga primaria de una nueva era de cohetes pequeños diseñados específicamente para subir cohetes, un punto que demuestra la importancia y popularidad actual de este tipo de nanosatélites.

Otro punto que se debe considerar durante el desarrollo de un cubesat es la legislación necesaria para que sea lanzado y que entre en operación. “En México, la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) es la entidad gubernamental que se encarga de realizar los trámites de coordinación ante la ITU para la autorización de las frecuencias para una red satelital”, explica el maestro Carlos Duarte Muñoz.

Para esto es necesario realizar solicitudes de registro para tramitar y obtener el uso de las frecuencias requeridas para el cubesat, un paso importante pues todo objeto que orbita alrededor de la Tierra debe ser analizado y aprobado para que cumpla rigurosas características y evitar lo que podrían ser problemas de invasión de frecuencia o de órbita.

El desarrollo de uno de estos pequeños satélites y lo que conlleva ponerlo en operación tiene más de un beneficio, pues por una parte se obtienen aprendizajes de ingeniería espacial y satélites y, por el otro, se logran implementar y desarrollar tecnologías en la Tierra para recepción y comunicación con el satélite que involucra conocimiento científico y técnico y formación especializada de recursos humanos.

Fuente: CONACYT.