Ventana al espacio (CL)

 

La nebulosa Carina, desde el telescopio James Webb.

Las próximas misiones a la Luna: Danuri

El mejor lugar en el que probar las capacidades de espacio profundo de una agencia es, como podéis imaginar, la Luna. Casi todas lo han hecho; sólo la ESA y la agencia japonesa se iniciaron con otro destino, el cometa Halley. Bueno, si todo va como está previsto, un país más entrará en el club de los pocos con misiones selenitas funcionando.

En una época inaudita en la exploración espacial, entre los años 2007 y 2009 había tres orbitadores estudiando la Luna. Ninguno, de la NASA, la ESA o Rusia. Los tres pertenecían a países asiáticos con pujantes programas espaciales: Japón, China y la India. Hoy en día, sólo estos dos últimos repiten, con el país nipón preparando algo más especial. Otra nación asiática conocida por sus desarrollos tecnológicos en términos de teléfonos móviles, ordenadores, y más, es Corea del Sur. Su agencia espacial, KARI, es la encargada de poner en marcha sus proyectos, como el primer satélite geoestacionario capaz de observar los contaminantes atmosféricos desde esa altitud. Y en el año 2013, se lanzaron.

Sin fijarse objetivos ambiciosos, KARI lanzó su Programa de Exploración Lunar Coreano, con vistas a desarrollar las tecnologías necesarias para poder alcanzar la superficie selenita. Pero antes, es necesario el desarrollo de otras cosas. Experiencia de navegación de espacio profundo, electrónicas y sistemas más tolerantes a la radiación, operar en un entorno peculiar como el lunar… Así, en el año 2016, el gobierno surcoreano autorizó la construcción de su primera misión lunar.

Se le conoce como KPLO, el Orbitador Lunar Pionero de Corea, y es, eminentemente, una demostración tecnológica. Sus objetivos son la prueba y validación de nuevas tecnologías espaciales en el entorno real del espacio, pero no se descarta para la ciencia. De hecho, busca ampliar lo que sabemos sobre nuestro satélite.

Es mucho lo que tiene que demostrar; prácticamente, toda la sonda es un nuevo desarrollo, desde su plataforma hasta el último cable. Y todo, ha sido posible gracias a la colaboración con la NASA, que les ha echado no una, sino varias manos en todo lo que se refiere al proyecto, incluyendo las operaciones de vuelo. Técnicamente, la misión no aporta casi nada nuevo. Ah, y aunque conocida desde el principio como KPLO, recientemente recibió un mejor nombre: Danuri. Se trata de la fusión de dos palabras del coreano: dai, que significa Luna, y nurida, que significa disfrute, gozo, cosas así. Pues hala, a gozar.

Danuri es una sonda de modestas dimensiones. Una vez desplegada en el espacio, ofrecerá unas dimensiones de 1.82 x 2.14 x 2.29 metros, con sus apéndices en su sitio. Apenas sabemos nada de sus tripas, aunque sí sabemos varias cosas, como su sistema de comunicaciones, que trabaja con dos bandas: banda-S para telemetría y comandos, y banda-X, para transmisión de los datos científicos que genere. Por supuesto, confiará en el Sol como fuente de energía, con dos paneles solares que nacen de cada lado de su estructura, alimentando los sistemas de a bordo, y cargando la batería, tal vez una unidad de ión litio. Y estará estabilizada en sus tres ejes, contando con una unidad de medición inercial, sensores solares, dos

escáneres estelares, y ruedas de reacción. En cuanto a su sistema de propulsión, lo conforman el propulsor de maniobra orbital u OMT y los propulsores de control de actitud, o ACT. El OMT lo conforman, en realidad, cuatro propulsores de 31.8 Newtons cada uno, para funcionar conjuntamente durante la inserción orbital lunar y maniobras posteriores de ajuste orbital. ACT, por su parte, servirá, principalmente, para desaturar las ruedas de reacción. O, cuando éstas no están disponibles, controlar la actitud de la sonda. Son ocho en total con una potencia de 3.48 Newtons, y se conjuntan en grupos de dos, proporcionando redundancia. En cuanto a su protección termal, la básica, con mantas multicapa, radiadores y calentadores eléctricos. En cuanto a su carga útil, porta cinco instrumentos y

una demostración tecnológica. LUTI, Cámara de Terreno Lunar, se trata, en realidad, de dos unidades idénticas montadas en un solo soporte y conectadas a sus electrónicas de control. Cada cámara comprende un telescopio reflector y un sensor CCD lineal trabajando en modos Pushbroom. En su órbita de trabajo, LUTI, operando en dúo o como un par redundante, entregará imágenes pancromáticas (450-850 nm) cubriendo una franja de casi diez km. de ancho y con una resolución de dos metros y medio. Con este sistema, capaz de comprimir las imágenes que adquiera, debido al limitado ancho de banda de su sistema de comunicaciones, Danuri obtendrá imágenes de la superficie lunar para cartografía pero, más importante, para identificar zonas de aterrizaje para la segunda fase del programa de exploración lunar, así como centrarse en regiones de interés geológico. PolCam es la Cámara de campo ancho

Polarimétrica. Es la primera cámara sensible a la polarización enviada a la órbita lunar. Apunta a estudiar las propiedades físicas de la superficie lunar, y conjuga dos sistemas en un único paquete. Estas cámaras no apuntan hacia la vertical, hacia abajo, ni al recorrido orbital de la sonda. Por el contrario, observan en un ángulo de 45º tanto a la derecha como a la izquierda de la sonda. Cada cámara registra tres bandas espectrales. La banda de los 320 nm sirve, básicamente, para fotometría. Las otras dos harán el trabajo de observar la polarización en las imágenes. La de los 430 nm posee filtros polarizados a 0º, 60º y 120º. La longitud de onda final, de 750 nm, usará dos, a 0º y 90º. El campo de visión de cada cámara será de, casi, cuarenta km. de ancho, con una resolución media. Su objetivo es, especialmente, el regolito lunar y sus características. No trabajará en los polos lunares. El KGRS, o Espectrómetro de Rayos Gamma de KPLO, revisará la composición química de la superficie lunar. En un paquete compacto y ligero se ha instalado su detector, un cristal de bromuro de lantano, encerrado dentro de un módulo de conteo anticoincidencia de escintilador plástico cargado con boro. Registra energías de entre 30 keV y 12 MeV, para así buscar elementos de la tabla periódica como Helio-3, hielo de agua, uranio, silicio y aluminio, entre otros. El paquete,

que encierra sus electrónicas, apenas pesa siete kg. El Magnetómetro de KPLO o KMAG, tiene una misión habitual: detectar y registrar todo campo magnético que se encuentre, el selenita en este casi. Cuenta con tres sensores de núcleo saturado triaxial situados al extremo de un mástil ligero de 1.2 metros de largo, que se despliega tras la separación con el lanzador. Y, por parte de la NASA, ShadowCam. Básicamente, es una repetición de las cámaras de alta resolución de LRO (LROC/NAC), ya que comparten arquitectura, con un telescopio reflector tipo Ritchey-Chretien, con una apertura de 19.4 cm., un espejo primario de 19.5 cm, (f/3.6) y una longitud focal de 700 mm. Pero aquí acaban las comparaciones. ShadowCam apunta, como

su propio nombre indica, a observar las sombras. Pero no cualquier sombra lunar: las Regiones en Sombra Permanente, o PSR. Para ello, ha recibido modificaciones estructurales, con un bafle con doce vanos en vez de seis, la incorporación de un bafle propio para el espejo secundario, y el del centro del espejo primario ha recibido dos vanos. Pero el verdadero cambio está en su detector. LROC/NAC usan sensores CCD lineales, ShadowCam usa un CCD de TDI (Integración por Retraso de Tiempo), como HiRISE de MRO o Ralph/MVIC de New Horizons. De este modo, el sensor posee columnas de 3144 pixels (3072 activos) con treinta y dos filas de TDI cada una. ¿Resultado? ShadowCam es más de doscientas veces más sensible que LROC/NAC, obteniendo imágenes con escasísima iluminación con resoluciones de 1.7 metros desde su órbita de trabajo, creando, cada vez, imágenes de 5 x 140 km. de las PSR. Son cinco sus objetivos, pero se puede resumir así: estudiar en profundidad estas regiones, en busca de hielo de agua. En cuanto al experimento tecnológico, es el DTNPL, la Carga útil del experimento de Red Tolerante a la Disrupción, o Tolerante a los Retrasos. Es una demostración de una suerte de internet interplanetario. No hay más información sobre él. Una vez repostada y lista, Danuri declarará un peso en báscula de 678 kg.

Su lanzamiento se producirá el 4 de agosto, y se realizará desde Cabo Cañaveral, Florida. El lanzador es el Falcon 9, que despegará, en esta ocasión, desde la plataforma 40 del complejo. Una vez terminado el proceso de lanzamiento, Danuri estará en órbita terrestre.

Su camino hasta la Luna será largo. Al principio, usará una estrategia similar a la usada por las misiones de espacio profundo de ISRO: usar su propulsión para elevar su órbita y así romper el abrazo terrestre y alcanzar la velocidad de escape. Pero no irá directamente a Selene, sino que hará un recorrido no muy diferente al de las sondas GRAIL de la NASA, yendo al punto de Lagrange L1, rodearlo, y dirigirse de regreso, para una

inserción orbital de baja energía. Este tipo de trayectoria, denominado Límite de Estabilidad Débil/Transferencia Lunar Balística (WBS/BLT) llevará al menos unos cuatro meses de travesía, pero ahorrará un montón de combustible. Con este plan, Danuri entrará en órbita selenita el 16 de diciembre. Su órbita inicial será elíptica, pero tres encendidos de su propulsión principal lo reducirán a una trayectoria polar a 90º, a una altitud de 100 km., susceptible a variar por los mascones lunares.

Como decimos, su misión será de prueba tecnológica. Cada día en el espacio será una enseñanza, pero gracias a su carga útil, tiene un rico programa científico, de cartografía, estudio de las propiedades superficiales y de la detección de recursos a usar. Pero esta misión será el punto de inicio.

Sí, el programa espacial surcoreano es pujante: a los satélites terrestres lanzados hasta ahora, se le ha unido una base de lanzamientos construida en la isla de Naro, a 485 km. de Seul, con dos plataformas de lanzamiento, y más recientemente, el lanzador Nuri, de tres etapas que usan combustible líquido, y capaz de situar, en órbita baja terrestre, entre 2.600 y 1500 kg, dependiendo de la altitud. Aún más: asumiendo el éxito de Danuri, la segunda fase enviará a un lugar escogido de la superficie lunar un lander con rover incluido. Todo será producido domésticamente, lanzado domésticamente, y manejado domésticamente. Y por si no fuera poco, KARI también entregará experimentos que enviar a la Luna en las misiones del programa de la NASA CLPS, el Servicio Comercial de Cargas útiles Lunares, en el que las compañías privadas ponen el lander, y las distintas instituciones, seleccionadas por la NASA, ponen los instrumentos. Tal vez este año veamos la primera de estas misiones también en el espacio.

Ya lo veis: tenemos nuevo actor en esto de lanzar misiones a la Luna. ¿Qué podemos decirles? Lo de siempre: buena suerte.

Ventana al espacio (CXLIX)

La Gran Nube de Magallanes

(Herschel, Planck, IRAS, COBE)

 

Apophis, ¿asesino potencial?

En el Egipto antiguo era el dios serpiente del inframundo. En Stargate SG-1, era un goa’uld con malas pulgas. Y en el sistema solar, es el asteroide 99942. Un asteroide NEO. Y aún más: un objeto todavía calificado como potencialmente peligroso. ¿Cómo es, por dónde anda? Y, lo más importante, ¿de verdad es tan peligroso como se le supone? Veamos.

Un equipo de astrónomos, formado por Roy A. Tucker, David J. Tholen y Fabrizio Bernardi descubrió, desde el observatorio de Kitt Peak, Arizona, un nuevo cuerpo menor. Nada nuevo bajo el sol. Confirmado como un asteroide cercano a la Tierra, recibió la designación provisional 2004 MN4. A lo largo de los meses posteriores, observaciones de seguimiento empezaron a refinar su órbita, mientras que el objeto pasó a algo más de catorce millones de km. de la Tierra el 21 de diciembre del 2004. Usando todos los datos disponibles, incluyendo observaciones previas a la de su descubrimiento, así como mediciones de radar, permitieron computar sus parámetros orbitales. Al final, el Centro de Planetas Menores lo introdujo en su sistema, asignándole su numeración (junio del 2005) y sus descubridores decidieron bautizarlo como Apophis, siendo adoptado el nombre, oficialmente, el 19 de julio del 2005.

El verdadero problema llegó al poco. La NASA posee un sistema automatizado de cálculos y vigilancia de asteroides llamado Sentry. Por ello, cuando Apophis entró en el sistema, inmediatamente marcó una fecha: el 13 de abril del 2029. Ese día, existía la posibilidad, Apophis podría colisionar con la Tierra. Otro sistema automatizado similar, el NEODyS, dirigido por las Universidades de Pisa y Valladolid, también señalaron esa misma fecha como peligrosa para la Tierra. Como consecuencia, se buscó observar este asteroide en cada oportunidad disponible.

¿Por qué se considera a Apophis tan peligroso? Por su órbita. Es de los pocos asteroides que cruzan la órbita terrestre, con un perihelio de 0.75 unidades astronómicas (casi 112 millones de km.) y un afelio de 1.099 unidades astronómicas (164 millones de km.), con un periodo orbital de 323.5 días, en una trayectoria inclinada 3.34º sobre la eclíptica. Como podéis ver, nos pilla demasiado cerca. Y el hecho que cruce nuestra trayectoria le hace especialmente peligroso.

En principio, a los pocos meses de su descubrimiento, los cálculos orbitales fijaban que el asteroide tenía una probabilidad de impacto contra la Tierra de 1 entre 37 para abril del 2029, es decir, el 2.7%. Esto significó que fuera calificado como asteroide de nivel cuatro en la Escala de Turín. Esta escala verifica el riesgo de impacto y los daños que podría producir, teniendo en cuenta su órbita, su tamaño y su masa, calificándose de uno a diez. Hasta la fecha, es el valor más alto alcanzado por esta tabla de medidas. Otra de las tablas de medición es la Escala Técnica de Riesgo de Impacto de Palermo. Similar, pero diferente (sigue una escala logarítmica), se basa en multitud de parámetros, siendo más técnica. Apophis alcanzó una escala de riesgo en la Escala de Palermo de 1.10, también el valor más alto dado nunca a un asteroide. Sin embargo, para el 27 de diciembre del 2004, el peligro había caído prácticamente a cero. Es más, también se miraba a un encuentro… digamos… problemático, para el 2036. Observaciones realizadas hasta el 2006 redujeron la probabilidad de impacto a 0 en la Escala de Turín, mientras que la de Palermo arrojó una cifra de -3.22. Entonces, ¿por qué seguimos dándole vueltas al tema?

Veréis, es cierto que se ha, prácticamente, descartado el riesgo futuro, pero sigue habiendo su incertidumbre. Y todos siguen con la vista puesta en el 13 de abril del 2029. Es cierto que casi cada día pasan asteroides cerca de nosotros, muchos por lo general fuera de la distancia Tierra-Luna. Hasta el propio Apophis lo hace con regularidad: por ejemplo, el 9 de enero del 2013 pasó a algo más de catorce millones de km. El hecho de que no hubiera observaciones entre los años 2015 y 2019 puso a la gente nerviosa. Normal, porque estaba fuera de nuestra vista, al otro lado del Sol. Eso sí, desde enero del 2020, se ha vuelto a observar. Y se han descartado posibles impactos para los años 2036, 2051, 2068 y 2106. Pero gracias a la observación continua desde enero del 2020, tenemos más datos sobre su órbita. Otra vez, pasó relativamente cerca el 6 de marzo 

del año pasado, a una distancia mínima de 16.9 millones de km. Estas observaciones, además, han sido importantes para ver que el asteroide es afectado por la luz solar, algo llamado Efecto Yarkovsky que, en esencia, se trata de cómo un cuerpo menor altera mínimamente su órbita por el efecto del gradiente termal. Básicamente, cuando rota, la parte que encara al Sol se calienta, para enfriarse al dar media vuelta, encarando al espacio profundo, expulsando el calor. De este modo, un asteroide puede alterar gradualmente su trayectoria. Por este efecto de empuje leve, Apophis altera su órbita unos ciento setenta metros cada año. Con esta información, se ha mejorado su solución orbital, y añadido precisión sobre por dónde pasará Apophis ese día.

Para aquellos que anden por Europa, África y Asia occidental, podrían verle pasar el viernes 13 de abril del 2029, siendo visible a simple vista gracias a una magnitud de 3.1, lo que requerirá salir de las ciudades para poder contemplar tan veloz paso. ¿Cómo es posible? Bueno, porque, de acuerdo con los cálculos (puesto que no le veremos hasta tenerlo bien cerca) Apophis se nos acercará, nos rozará, de hecho, a una distancia aproximada de 31.600 km. de altitud, es decir, por debajo de la órbita de los satélites geoestacionarios. Y sí, se descarta el impacto. ¿Qué podemos hacer? Sólo, sentarnos y mirar. Y esperar que algún satélite de lo meteorológicos esté al tanto.

Ante un objeto con tanto potencial al desastre, ¿no pensamos mandar misiones? Bueno, la Sociedad Planetaria realizó, en el 2007, una suerte de concurso para solicitar ideas para mandar una misión a él, estudiarlo y entenderlo. La propuesta ganadora se llamó Foresight. Armada con una cámara multiespectral, un telémetro láser y una baliza de radio, lo estudiaría tanto desde la órbita como orbitando con él en formación y a distancia. Otra propuesta vencedora, procedente del mundo estudiantil, llamada Pharos, preveía una sonda más cargada, con cámara, espectrómetro de infrarrojo cercano, telémetro láser y magnetómetro, además de cuatro mini sondas, para un examen en profundidad. Años después, el Instituto Tecnológico de Massachusetts divulgó su propuesta en el 2017. Denominada Proyecto Apophis, o misión SET, de Evaluación y Tomografía Superficial. La sonda propuesta, lanzada desde un Falcon 9, contaría con impulsión iónica, y usaría cuatro instrumentos, tres de ellos conocidos: la cámara LORRI, el sistema dual Ralph, así como el espectrómetro TES, en configuración OTES de OSIRIS-REx, así como un cuarto denominado Tomógrafo de Radio Reflexión, o RRT. Una suerte de radar, para entendernos. Su misión, de larga duración. Pero nada. Hasta hubo una propuesta china. Pero nada.

En cuanto a Apophis, podemos decir relativamente poco de él. Su diámetro flota entre los 350 y los 450 metros de diámetro; el observatorio espacial Herschel de la ESA cifró su diámetro, allá por el 2013, en 325 metros, con un margen de error de quince metros, dándole un albedo de 0.23, basándose en datos termales. Otros tomados hacia el mismo tiempo, por radar (Goldstone y Arecibo) cifran el albedo en 0.35 y un diámetro de 370 metros. Rota sobre sí mismo en unas treinta horas, si bien parece bambolear, y hacerlo a la inversa. En cuanto a su masa, unos la cifran en 3.2 gramos por centímetro cúbico; otros, en 2.6. Sus datos espectrales, además, parece que le sitúan entre los típicos asteroides tipo S de silicatos, o en la categoría de los escasos tipo Q, como el viejo objetivo de Deep Space 1, 9969 Braille. Muchos suponen que se trata de una pila de rocas, otros, que es un binario de contacto, algo como el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko o el KBO Arrokoth. Pero si no ponemos algún cacharro allí, no lo sabremos seguro.

Apophis, observado por Herschel en el 2013

El acercamiento de abril del 2029 tendrá sus efectos en Apophis. Básicamente, será el análogo a una sonda practicando una asistencia gravitatoria, porque al pasar tan cerca de nosotros su órbita  se alterará sustancialmente. Pasando por un área de incertidumbre de algo más de tres km., sus parámetros alrededor de Helios variarán, con un perihelio de 0.89 unidades astronómicas y un afelio de 1.31. Si las predicciones de Sentry se cumplen, el riesgo de impacto se anulará por completo durante, al menos, unos cien años. ¿Y efectos en lo que se refiere al asteroide en sí? Si se acierta con lo de la pila de rocas, lo más probable sea una modificación parcial de su superficie debido a las fuerzas de marea.

Pero, de verdad… ¿nada de nada? Pues nada, nada, no. Porque, si no habéis estado atentos, os lo anunciamos: Apophis recibirá visita, después de todo. Siguiendo los pasos de misiones como Stardust y su misión NExT, o Deep Impact y su misión EPOXI, la misión de recogida de muestras del asteroide Bennu,

OSIRIS-REx, se encargará de cumplir la misión de estudiar este peligroso cuerpo celeste. Aún está en ruta de vuelta desde Bennu, y para septiembre del año que viene nos entregará su tesoro. Y, mientras la cápsula de retorno de muestras desciende por nuestra atmósfera, la propia sonda sobrevolará la Tierra, quedando en una órbita solar de aparcamiento. La misión extendida de OSIRIS-REx, denominada OSIRIS-APEX (por la Exploración de Apophis) será larga, de esperar. Porque no se encontrará con él de inmediato tras sobrevolarnos. Permanecerá en órbita alrededor de nuestra estrella hasta que el asteroide esté de camino a por nosotros. Entonces, empezará la caza. Y, a diferencia de las dos misiones Discovery mencionadas, la extendida de OSIRIS-REx no será de sobrevuelo, sino de quedarse. Una de las ventajas con las que cuenta la misión, además de una sonda probada y fiable, es un tanque de combustible más lleno de lo que indicaban las predicciones prelanzamiento. Todo, gracias a unas operaciones en Bennu que han requerido menos recursos de los previstos.

La verdadera persecución empezará días antes de alcanzar el asteroide. Se espera que las primeras imágenes que la sonda capture de Apophis las adquiera el 8 de abril del 2029, es decir, cinco días antes del encuentro del asteroide con nosotros, y con OSIRIS-REx y el asteroide separados por dos millones de km. De hecho, ambos se seguirán durante el encuentro entre la Tierra y el asteroide, con la sonda usando la gravedad terrestre como lanzadera para llegar hasta él, y usar después su propulsión, modestamente, para alcanzarlo. Así, lo atrapará ocho días después, el 21 de abril del 2029.

El equipo de la misión (para OSIRIS-APEX habrá cambio en la dirección, con la doctora Daniella DellaGiustina como investigadora principal) ha resuelto en replicar, en lo posible, el plan ideado para el estudio de Bennu, repitiendo fases como la de Estudio Preliminar, Estudio Detallado y la fase orbital B. Algo a lo que deberá adaptarse será al más alto albedo. Bennu, como asteroide carbonáceo tipo B, tenía uno más bajo. Apophis, como hemos visto, es más luminoso, lo que significará que, especialmente sus cámaras, tengan que usar tiempos de obturación más cortos a no ser que quieran tener imágenes saturadas. OSIRIS-REx usará prácticamente todas sus herramientas con el asteroide. Salvo SamCam del paquete de cámaras OCAMS, 

todo producirá datos, hasta el sensor LIDAR de guiado y control, apenas usado en Bennu. Permanecerá hasta dieciocho meses estudiándolo, de cerca y de lejos, concluyendo con una arriesgada maniobra que llevará a la sonda a acercarse hasta casi tocar la superficie. Lo que se busca es usar su propulsión para perturbar el regolito, y así poder ver qué esconde debajo el asteroide. De este modo, con una exploración tan larga, OSIRIS-REx podrá ver cómo el asteroide cambia a raíz de los efectos gravitacionales provocados por su paso tan cercano a la Tierra.

Ya veis, al final visitaremos a Apophis, pero para eso tendremos que tener paciencia. Le hemos descartado como agresor, al menos de momento. Pero, ¿quién sabe qué más se oculta ahí fuera? Habrá que estar atentos.

Ventana al espacio (CXLVIII)

El cúmulo de galaxias Coma, desde XMM-Newton

 

Los diminutos

Pensad en cualquier satélite. Da igual, el que sea. Sí, no son precisamente pequeños, con masas que van de los centenares de kilogramos a varias toneladas, con Envisat teniendo el record, desplazando hasta ocho toneladas al despegue. Esto significa que, por lo tanto, sus instrumentos son, igualmente, pesados y voluminosos. Pero, ¿es eso cierto? ¿Hace falta que el instrumento sea grande, voluminoso y pesado para obtener resultados de calidad? Hasta hace poco tiempo, sí. Pero ya no.

Con el cambio de siglo llegó un cambio de paradigma. Los satélites se fueron haciendo más pequeños, sus instrumentos, se reducían en tamaño. Y, entonces, se dio el siguiente paso. Se desarrollo un tipo de vehículo espacial realmente diminuto, que o podía caber en la palma de una mano o tener el tamaño de un maletín de ejecutivo. Ofrecen la ventaja de ser configurables, utilizar componentes ya probados y, por lo tanto, baratos y disponibles rápidamente, y se pueden lanzar con cualquier misión, ya que los lanzadores actuales poseen capacidad de sobra. Sí, nos referimos a los Cubesats.

¿Por qué el nombre? Sencillo: son cúbicos. La unidad básica es de un metro cúbico de capacidad. Y sí, tiene forma de cubo. Pero como decimos, es una plataforma configurable. Por ello, a esta unidad básica, que se denomina 1U, se le pueden añadir más unidades. Con el tiempo, han llegado variantes 2U, o 3U (unidades apiladas unas sobre otras) 6U (dos pilas de 3u, una junto a otra) y hasta 12U (dos 6U, una sobre otra). ¿Por qué su creación? Al principio, para demostraciones tecnológicas, pero también para desarrollos universitarios. En el primer caso, a la hora de querer probar un elemento nuevo (ya sea un sensor científico, ya sea un elemento de hardware para el funcionamiento de satélites) los Cubesats son alternativas más baratas. En el segundo, permite que los estudiantes toquen lo real, y así que desarrollen la experiencia que supone la creación de una misión, desde el concepto, al montaje y sus pruebas, hasta el lanzamiento y las operaciones en órbita, terminando con el procesado de los datos. Son pequeños, son baratos, y no tienen nada que envidiar a sus hermanos mayores.

Su tecnología ha ido madurando, y ya hasta se plantean misiones plenamente científicas, tanto en torno a la Tierra como fuera de ella. Ya se recordará a los pequeños MarCO que llegaron y pasaron Marte no hace tanto tiempo, en una brillante demostración. Bien, pero centrémonos en la Tierra. ¿Sería posible que un Cubesat pudiera tener las capacidades de un instrumento científico de los grandes, y proporcionar sus mismos resultados? Para eso, las pruebas. Antes de lanzarse de verdad a la ciencia pura y dura, se necesita demostrar que las aproximaciones pequeñas son, en realidad, igualmente ventajosas que los grandes satélites, con una fracción del costo.

Para observar el sistema terrestre, se usa todo tipo de instrumentos: cámaras, espectrómetros, radiómetros, altímetros… empleando casi todo el espectro electromagnético, como la luz visible, infrarroja o ultravioleta, y un poco más allá. Pero, para centrarnos, escojamos un instrumento al azar. Por ejemplo… un radiómetro de microondas. Y de todos los que existen, por ejemplo… el instrumento AMSR2 a bordo del satélite japonés

Shizuku. Como el único aparato científico embarcado, este sensor es voluminoso con una masa de 320 kg, un consumo energético de 400 vatios, y una antena de dos metros de diámetro escaneando  un barrido de 1450 km. rotando a 40 revoluciones por segundo, escaneando diversas bandas de la longitud de ondas de las microondas, con el objetivo de estudiar la intensidad de las precipitaciones en la superficie, la temperatura de la superficie de los mares, la extensión del hielo marino y, en menor medida, la velocidad del viento en superficie. Bien, ¿sería posible un radiómetro de microondas del tamaño y masa suficiente como para encajar en un Cubesat?

Os presentamos a TEMPEST-D, la Demostración Tecnológica del Experimento Temporal para Tormentas y Sistemas Tropicales. ¿Pequeño? Mucho, con un bus de 10 cm. de ancho, 20 cm de alto y 30 de largo, y una envergadura de 130 cm., una vez desplegado en órbita. Su misión, demostrar tecnologías de radiómetros en miniatura, usando lo último en tecnología y miniaturización, y a la vez, comprobar su rendimiento con sensores de microondas en órbita que se consideran de referencia. A pesar de su diminuto tamaño y escasa masa (seis kilogramos, apenas) contaba con todo lo necesario para funcionar, desde ordenador de a bordo y almacenamiento, comunicaciones (en banda UHF), control de actitud en un único paquete (ocupando un espacio de 0.75U), receptor GPS y, claro está, energía, con los dos paneles solares de tres secciones y una batería. ¿Qué decir del instrumento? Denominado Radiómetro MM, o de onda milimétrica, apenas ocupaba un

volumen de 3U, unas medidas de 34 x 10 x 10 cm, un consumo energético de 6.8 vatios y una masa de 3.8 kg. No os fiéis de su tamaño: contaba con lo esencial para funcionar, incluyendo ordenador propio. Como otros radiómetros de microondas, contaba con una antena rotatoria, de forma oval (10’5 x 7 cm.) rotando a 30 rpm. El sistema detector lo forma un receptor de banda dual, que lleva la energía captada a los módulos detectores, permitiendo al radiómetro registrar cinco bandas espectrales en las microondas: 87, 164, 174, 178 y 181 gigahercios (GHz). Para conseguir reducir el tamaño de este sistema, comparado con el de Shizuku, se ha recurrido a una tecnología denominada HEMT, o Transistores de Alta Movilidad de Electrones. Usados en los amplificadores de bajo ruido, (en esencia, los receptores), empleaban como material fosfuro de indio, de treinta y cinco nanómetros de grosor. Esto permitió descartar mucho hardware, ayudando a la agradecida

reducción de masa. No os engañéis: sí, el instrumento rota, pero esta rotación solo pone la Tierra en una pequeña fracción del radiómetro. De la rotación completa de la antena, sólo 90º se correspondían con la observación de la Tierra. Otros treinta, a observar el Fondo Cósmico en Microondas, y otros treinta, al objetivo de calibración. Previsto para una órbita a unos 400 km. de altitud, su ancho de escaneo se cifró en 825 km. Fue enviado al espacio el 21 de mayo del 2018, a bordo de una nave de carga Cygnus, en la novena misión de carga al complejo, a donde llegó tres días después. Posteriormente, fue desplegado en órbita de un modo particular: la ISS cuenta con un sistema de lanzamiento de satélites pequeños. Usando la exclusa, la plataforma externa y el brazo robótico del módulo Kibo, resulta posible trasladar cargas del interior al exterior. TEMPEST-D se encontraba dentro de un contenedor con un sistema de lanzamiento acoplado. Con este contenedor agarrado por el brazo robótico de Kibo, el Cubesat fue desplegado a su órbita final el 13 de julio, en compañía de otro. En cuanto se desplegó, y activó, llamó a casa, iniciando una misión de casi tres años.

TEMPEST-D obtuvo su primera luz el cinco de septiembre, comprobando así la funcionalidad del sistema, demostrando un buen rendimiento inicial. La tarea importante, sin embargo, era demostrar su estabilidad, su calibración radiométrica, su nivel de ruido, y comparar sus datos de forma cruzada con radiómetros de microondas de referencia, como el GMI de GPM Core o los sensores a bordo de los satélites meteorológicos

de NOAA y EUMETSAT. Para empezar, el rendimiento, como se vio en las semanas y meses posteriores, superó con mucho las estimaciones iniciales. Es más, en servicio, fue capaz de aumentar su cobertura sobre la Tierra. De la rotación completa de la antena reflectora, la visión de nuestro planeta llegó a abarcar 120º en vez de los 90º iniciales, lo que significó aumentar su cobertura de escaneo a 1550 km., alcanzando resoluciones de entre trece y veinticinco kilómetros, dependiendo de la banda espectral, o frecuencia. En el nivel de ruido, resultó ser muy bajo, más que el de sistemas mayores y operativos, como el ATMS de Suomi NPP, resultando muy estable el nivel durante toda la misión. Respecto al tema de la calibración cruzada, los resultados no han dejado de ser brillantes. No sólo superó sus propias expectativas en lo que se refiere a exactitud de calibración absoluta o en precisión de su calibración, sino que mostró estar en línea, y puede que hasta superar, a los sensores con los

que se comparó. De este modo, el radiómetro de TEMPEST-D se demostró como un sensor extraordinariamente bien calibrado, estable a lo largo del tiempo y de niveles de ruido (que podría interferir en los datos y reducir su calidad) muy bajos. Y ni siquiera, los cambios de temperatura le afectan en demasía. En resumen, cumplió, y superó, todos sus objetivos de prueba en los primeros noventa días de misión. Ah, y para que veáis hasta qué punto resultó extraordinario este sensor, el satélite pasó seis meses en hibernación mientras la antena terrestre que era su único enlace con el centro de control estuvo fuera de servicio por mantenimiento. Reactivado tras ese tiempo, los datos recogidos nueve horas después no mostraron ni la menor pizca de cambios en el rendimiento y en la calibración del sensor. Simplemente extraordinario.

En este tiempo de funcionamiento, además, pudo hacer ciencia, pasando frecuentemente sobre sistemas de tormentas. Sólo seis días después de su primera luz, ya fue capaz de registrar las precipitaciones de dos huracanes, Helene y Florence. No fueron los únicos, ya que permitió seguir, durante diez días, la evolución del huracán Dorian hacia finales de agosto del 2019. Así como el tifón Trami el 28 de septiembre del 2018. Por si fuera poco, tras concluir su misión principal, además de dedicarse a la ciencia, probaron con él otros usos, como observaciones multiángulo, haciéndolo rotar 90º para sondear verticalmente a través de la troposfera, obteniendo datos que se asemejaron a los de un sensor similar pero hiperespectral,  es decir, capaz de registrar decenas o cientos de frecuencias simultáneamente. Al final, esta magnífica misión terminó con su reentrada el 22 de junio del 2021.

La verdadera razón de TEMPEST-D fue demostrar el concepto del sistema, en avance a una posible y futura misión de constelación. De hecho, el instrumento fue seleccionado como la misión Earth Venture Instrument-2 allá por el 2013, y la NASA financió este Cubesat como misión de reducción de riesgos en el 2015. La misión original TEMPEST es vista como crucial para responder una pregunta clave: ¿Por qué ocurren donde y cuando ocurren las tormentas convectivas, la fuerte precipitación y la formación de nubes? Los satélites antes mencionados tienen un problema: son uno solo y, con frecuencia, están anclados en una órbita inamovible, lo que significa que pueden tardar de varios días hasta dos semanas en regresar a un lugar. TEMPEST, por su parte, sería una misión de cinco Cubesats volando en formación, con separaciones entre satélites de cinco minutos. Aunque también se imaginan constelaciones de satélites similares, totalizando hasta sesenta, ya sea manteniéndolos en órbitas polares, o en todo tipo de órbitas, pudiendo cubrir el planeta entero, lo que significaría volver sobre eventos de interés (huracanes, tifones, ciclones tropicales, u otros eventos meteorológicos extremos) en cuestión de horas, o menos. Imaginaos: en vez de dedicar el presupuesto de un proyecto en un gran satélite, se usa para fabricar en lote una serie de satélites idénticos, tipo Cubesat. Esta es, así se desea, la ciencia terrestre del futuro.

Ahora, escojamos otro instrumento al azar, por ejemplo… un radar de precipitación. Y no hay mayor que el DPR a bordo de GPM Core. Con una masa de casi setecientos kilogramos, y dos antenas planas de conjunto de pase (1.44 x 1.07 x 0.7 metros una, 2.2 x 2.2 x 0.6 metros la segunda) obviamente no es un instrumento liviano ni pequeño. A las antenas, además, hay que sumar los sistemas asociados, como transmisores y receptores, ordenador de funcionamiento… etc. El DPR, como todo sistema de radar, a diferencia de los radiómetros de microondas, que son básicamente sistemas pasivos, se trata de un sistema activo, que transmite pulsos de ondas de radio que, en este caso, atraviesan las nubes, rebotan en la superficie, vuelven a atravesar las nubes, para ser recogidos por cada una de las antenas. DPR trabaja en dos frecuencias: banda-Ka (35.5 GHz) y banda-Ku (13.6 GHz), registrando todo tipo de precipitaciones, desde lluvia ligera y torrencial pasando por el granizo y terminando por la nieve. Un radar, además, no sólo es un instrumento activo: para funcionar, necesita una gran cantidad de energía, y genera una cantidad de datos superior a cualquier otro tipo de instrumento. ¿Qué significa todo esto? Un paquete bastante rellenito, puesto que GPM Core, cuando se lanzó, bordeaba las cuatro toneladas de masa. Es decir, además de contar con un instrumento voluminoso, necesita grandes paneles solares, un ordenador con gran capacidad y un sistema de comunicaciones de alto rendimiento. ¿Se podría encajar esto en un Cubesat?

Os presentamos a RainCube, la constatación de querer es poder. Este diminuto satélite es un ejercicio de imaginación sobre cómo poder encajar lo que antes podía ocupar una habitación en un espacio diminuto, y encima funcionar. Su misión principal, os sonará, era tecnológica: demostrar el concepto. La financiación para la misión procedió de la Oficina de Tecnología de Ciencia Terrestre, o ESTO (Por favor, bromas no), siendo propuesto en mayo del 2015, y aprobado en septiembre del mismo año. La misión no solo versaba de demostrar que era factible encajar un sistema de radar de precipitación en un Cubesat, sino también una antena asociada. Para RainCube se escogió, también, la configuración de 6U, con un bus de 10 x 20 x 30 centímetros de dimensiones. Lo básico para que funcionase ocupaba un espacio de 2U, en la parte inferior (o superior, según se vea) del bus; el resto lo ocupaba el radar. Las aviónicas se montaron en un paquete muy compacto usando elementos diminutos pero, salvo propulsión, no le faltaba de nada: hasta contaba con tres ruedas de reacción, dos escáneres estelares y un sistema de

comunicación dual en banda UHF y banda-S. En cuanto a lo importante, se descompone en dos elementos: miniKaAR-C y KaRPDA. El primero, traducido como Radar Atmosférico Miniaturizado de banda-Ka para Cubesats, es el corazón del sistema, y desecha muchos elementos para contar con chips de estado sólido de arseniuro de galio, y una técnica distinta de modulación denominada compensación IQ, en fase y cuadratura. Así, tira al cubo de la basura los amplificadores y suministros de alto voltaje o grandes redes de combinación de energía. A esto se suma un ordenador propio basado en un FPGA, con convertidores de analógico a digital usando tecnología CMOS, con veinticuatro canales de telemetría y triple redundancia en los sistemas críticos. Y, mientras los radares en los satélites grandes

requieren grandes consumos energéticos, el sistema de radar de RainCube sólo necesita 22 vatios cuando está en modo transmisión (con picos de diez más), diez en modo recepción y tres en modo Standby. Todo esto, en un paquete de 24.8 x 21.5 x 9.7 cm. El segundo, la propia antena, denominada Antena Parabólica Desplegable de Radar en banda-Ka, es una prima diminuta de la que montó Galileo. Plenamente desplegada, mide cincuenta centímetros de diámetro. Plegada, ocupa un espacio 1.5U en el interior del bus. Es una antena tipo malla, soportada por treinta costillas. Cuenta con un reflector primario y uno secundario, formando una configuración Cassegrain una vez desplegado. Se ha diseñado específicamente para trabajar en banda-Ka, a 35.75 GHz, y para su despliegue, usó cuatro tornillos de plomo fijados a tuercas en la parte inferior de la carcasa, que empujan el montaje hacia arriba. Tanto los tornillos de plomo como muelles bajo las costillas de la antena sirvieron para fijar el montaje en su posición definitiva y

Despliegue de Cubesats. RainCube es el primero

desplegada. Y, para confirmar, se montó una minicámara a color para observar el despliegue. El conjunto de estos dos subsistemas (sistema y antena) apenas pesaba 5.5 kg. En total, todo el paquete del Cubesat alcanzaba los doce kilogramos. Casualmente, RainCube también despegó en la novena misión de carga de Cygnus a la ISS, el 21 de mayo del 2018, para ser desplegado, de igual forma, el mismo 13 de julio. Desplegó sus paneles solares a los cinco minutos, y sus antenas de UHF a la media hora. Sus primeras transmisiones se captaron a la hora. La misión estaba en marcha, durando aproximadamente dos años y medio.

Los requisitos para RainCube eran exigentes: generar hasta doce Gb de datos cada día, produciendo perfiles verticales de entre cero y dieciocho km. de altitud, con una resolución horizontal de diez km, y una vertical de doscientos cincuenta metros. El sistema de radar, puesto que lo era, a pesar de su tamaño, aún generaba una cantidad considerable de datos, aproximadamente 425 Mbps, lo que requirió que el ordenador de control del sistema realizase un considerable procesado a bordo, rediciéndolo a aproximadamente 50 Kbps, usando técnicas de filtrado de datos, compresión y otros métodos. Además, a pesar de su muy bajo consumo energético, aún era demasiado exigente para un Cubesat, por lo que se decidió un ciclo de servicio (es decir, el tiempo que funcionaría cada órbita) del 25%. Sus controladores solo podían cruzar los dedos, y esperar a que en esa ventana de tiempo orbital pillase un evento extremo. En su órbita de trabajo, a cuatrocientos kilómetros de altitud, y la misma inclinación de 51.6º que la estación, no sería demasiado difícil. 

Primera luz de RainCube, sobre Sierra Madre Oriental. La línea blanca es la superficie, las bandas rojas y más oscuras son el reflejo de la superficie. En el centro, en amarillo, verde y azul, la precipitación. El reflejo de la superficie desaparece.

En cuanto se demostró que los sistemas de RainCube funcionaban como debían, se probó el radar en modo Standby, demostrando su funcionamiento dentro de los márgenes. Antes de hacer nada, llegó el despliegue de

la antena, ocurrido el 28 de julio. Verificado por la telemetría, recurrieron a la minicámara para confirmarlo al cien por cien. Las semanas siguientes se dedicaron a comprobar los modos de funcionamiento, tanto en modo de sólo recepción, y después en modo activo. Sus primeras mediciones de precipitación las consiguió el 27 de agosto, siendo exitosas.

A la hora de demostrar su rendimiento y calibración, se comparó con el DPR de GPM Core, con unos resultados que no han podido ser más positivos, incluyendo datos incluso más limpios, y en cuanto la calibración, se entendió que no hacían falta correcciones a la hora de publicar los datos. Su rendimiento resultó ser sobresaliente. Lo que no quita que hubiera problemillas por el camino, como reiniciados en momentos inesperados, un fallo en una de las cadenas de energía, pulsos malos del radar (resuelto cambiando el modo de activación del sistema), avería de uno de las ruedas de reacción (resuelto con una solución de software), y un fallo en la tarjeta SD.

En cuanto todo se verificó, la misión pasó a la ciencia, observando el tifón Trami el 28 de septiembre. Debido a las limitaciones inherentes a la plataforma, resultó necesario automatizar la planificación de eventos a los pronósticos meteorológicos y a la propia órbita de RainCube, aumentando así la capacidad de conseguir datos de precipitación de eventos extremos. Así, cada día se planificaron hasta seis adquisiciones de veinte minutos, no operar el radar en órbitas consecutivas, y no operar en la cara nocturna del planeta.

Perfil de precipitación, 15 de septiembre del 2018. Los picos verdes, amarillos y azules son pretipitación. La banda morada en el fondo del gráfico representa el océano. El perfil abrupto entre los números 3 y 4 es tierra firme.

A pesar de un tiempo limitado de obtención de datos, en su vida de dos años y medio fue capaz de capturar casi dos mil escenas de tormentas, muchas en coordinación y próximas a GPM Core, con resultados de validez científica. Especialmente, también hizo ciencia coordinada en tormentas con nuestro anterior

protagonista, TEMPEST-D, como con el ya mencionado tifón. Capturando en más de una vez datos complementarios sobre la precipitación en diversos lugares del mundo. Desgraciadamente, todo lo bueno acaba finalizando. Al carecer de propulsión, al caer a 320 km. de altitud, el progreso de su descenso orbital se aceleró dramáticamente, para reentrar el día ya mencionado, con tareas y experimentos por cumplir, pero con un radar todavía plenamente funcional.

A diferencia de TEMPEST-D, RainCube era una misión puramente experimental, para demostrar que un sistema activo todavía podía funcionar en una plataforma tan pequeña. Y ha abierto la puerta para misiones semejantes, incluyendo constelaciones para permitir vigilar las tormentas tropicales, los huracanes, los tifones… Con tan pocos radares de precipitación en el espacio, esta prestación en un paquete tan pequeño bien podría ser toda una ventaja a la hora de alertar a las zonas en peligro. Hasta la fecha, y según nuestro conocimiento (que es poco), no hay nada semejante.

Como hemos comprobado, no hace falta tener el satélite más grande, o los instrumentos más voluminosos, para hacer gran ciencia. A veces, hace falta apenas una buena idea, un equipo no demasiado grande, y mucha inventiva. ¿Los Cubesats serán el método del futuro? Como siempre, el tiempo lo dirá.

Ah, si el primer vuelo del conjunto SLS/Orion tiene éxito, cuenta con diez Cubesats como “polizones”. Ya hablaremos de algunos de ellos, llegado el momento.