Ventana al espacio (CLVIII)

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.