CubeSats: el camino aprendido desde Irazú hasta GW Sat
En tiempos de cambio climático, el monitoreo ambiental realizado desde el espacio toma auge. La tecnología satelital permite observar cambios en los polos, los océanos, los bosques y otros ecosistemas.
Si bien agencias espaciales, como la estadounidense y la europea, tienen basta experiencia y cuentan con grandes satélites, Costa Rica está viendo una oportunidad de monitoreo ambiental en los CubeSats. Estos son satélites miniatura compuestos de uno o varios módulos cúbicos que miden 10 centímetros.
Muchos países -entre ellos Kenia, Sri Lanka y Nepal- están confeccionando CubeSats como prueba de concepto o PoC, es decir, su objetivo es constatar si se cuenta con las capacidades tecnológicas y científicas necesarias para desarrollar plataformas satelitales, identificar áreas de mejora y aprender en el proceso.
Costa Rica, desde el Laboratorio de Sistemas Espaciales del Tecnológico de Costa Rica (SETEC), también está haciendo sus PoC, pero su apuesta es más ambiciosa que la de otros países, debido a que está sumándoles misiones científicas.
Con el proyecto Irazú, puesto en órbita en 2018, se monitoreó diariamente el crecimiento de los árboles en una parcela forestal ubicada en San Carlos, y ahora con el proyecto GW Sat, que se lanzará en 2022, se medirán los cambios en el tamaño de los espejos de agua del Parque Nacional Palo Verde.
Para Julio Calvo, director científico de ambos proyectos, estas misiones también son PoC en materia de monitoreo ambiental desde plataformas espaciales. Incluso han servido para innovar en cuanto a los instrumentos de medición que se colocan en las estaciones terrestres, como es el caso del arnés desarrollado para los dendrómetros y que está en proceso de registro como propiedad intelectual.
La idea, según Adolfo Chaves del SETEC, es ir adquiriendo experiencia y fortaleciendo capacidades para poner la tecnología espacial al servicio del monitoreo ambiental.
“Creo que podemos posicionar a Costa Rica como un lugar donde no solo es importante monitorear el ambiente, sino que también sabemos cómo hacerlo porque no solo tenemos la riqueza biológica, también tenemos investigación sobre esa biodiversidad”, dijo Chaves y añadió: “este era un paso casi que lógico. Tenemos un país muy pequeño con una gran diversidad, y también tenemos la capacidad de crear los desarrollos y aplicarlos directamente”.
Store and Forward
El monitoreo ambiental en estos CubeSats ha sido posible por el protocolo de almacenamiento y reenvío (Store and Forward, en inglés). De hecho, estos proyectos de monitoreo se han vuelto populares en pequeños satélites gracias a los avances en comunicación láser, una mayor capacidad de almacenamiento a bordo y características de seguridad que permiten realizar misiones con mayores requisitos en cuanto a la gestión de datos.
Estos avances tecnológicos posibilitan que las misiones científicas llevadas a cabo por estos pequeños satélites perduren más en el tiempo, también se obtienen beneficios en cuanto a rendimiento y gama de aplicaciones.
Desde su creación, SETEC puso en marcha su Programa de Pequeños Satélites para Monitoreo del Medio Ambiente, el cual asienta sus bases precisamente en la utilización de CubeSats que actúan bajo protocolo de Store and Forward (S&F).
El S&F es una técnica utilizada en telecomunicaciones, que consiste en enviar datos a un nodo, almacenarlos y luego transmitirlos a otro nodo.
En el proyecto Irazú, por ejemplo, los sensores que medían el diámetro de los árboles enviaban los datos al Ecologger, un dispositivo que se encargaba de recolectarlos y empaquetarlos para luego, haciendo uso de una antena, transmitirlos al satélite cuando este pasara por el sitio. Tras recibirlos en el espacio, el CubeSat guardaba esos datos en su memoria y luego los enviaba a la estación ubicada en la sede central del TEC en Cartago.
Este protocolo no ofrece una comunicación en tiempo real, pero entrega los datos en un tiempo aceptable. En el caso de Irazú, y según explicó Calvo, el objetivo era medir el crecimiento de los árboles diariamente, cuando la norma es que esa medición se realice anualmente, debido al costo y la logística que implica enviar personas a tomar los datos manualmente.
La PoC del proyecto vino a demostrar que el protocolo S&F es una alternativa viable para realizar mediciones de manera remota y automatizada. De hecho, Irazú -un proyecto del TEC, la Asociación Centroamericana de Aeronáutica y del Espacio (ACAE) y el Instituto Tecnológico Kyushu (Kyutech) de Japón- constituyó el primer ensayo tico de S&F.
El CubeSat fue lanzado el 2 de abril de 2018 desde Cabo Cañaveral, en Florida (EE. UU.), a bordo del cohete Falcon 9 de la empresa SpaceX. El 11 de mayo, desde el módulo japonés de la Estación Espacial Internacional (EEI), se puso en órbita, y ese mismo día hizo contacto con la estación ubicada en el campus del TEC. El primer paquete de datos se cargó el 17 de mayo y su descarga se completó el 22 de mayo.
De esta forma, Irazú se convirtió no solo en el primer satélite centroamericano, sino también en ser el satélite más pequeño en demostrar capacidades de S&F.
La PoC no solo tuvo éxito en este sentido, también dejó otras lecciones aprendidas. “Muchas se están aplicando en el GW Sat”, destacó Chaves.
Mejoras
GW Sat es un proyecto conjunto de la Universidad George Washington (GWU), la Academia Naval de los Estados Unidos (USNA), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el TEC de Costa Rica. También es una PoC.
Consiste en un CubeSat de tres módulos, que pesa aproximadamente 4,5 kilogramos. Su lanzamiento y puesta en órbita se prevé para 2022 y, para ello, contará con la ayuda de NASA, puesto que el proyecto resultó ganador de la octava edición del CubeSat Launch Initiative.
Mientras GWU se encarga del diseño y ensamblaje del satélite, así como del desarrollo e implementación del sistema de propulsión, el MIT trabaja en el instrumento para calcular la orientación del satélite basado en la posición de las estrellas (Star Tracker), y el TEC asumió el sistema de control del satélite así como la misión científica.
En cuanto a esta última, la experiencia de Irazú sirvió para mejorar el equipo que estará en la estación terrestre que utilizará GW Sat, ya que también utiliza S&F.
“Internamente, esa estación terrestre está diseñada como si fuera un CubeSat en la Tierra. Como tenemos limitaciones de lo que podemos enviar al espacio, entonces lo que hemos tratado de hacer es diseñar los sistemas bien pequeños, del tamaño de un CubeSat, para que los estudiantes se familiaricen con la labor de integrar ese montón de circuitos en tamaños muy reducidos y puedan comunicarlos entre ellos y con otros sistemas de forma integrada para que trabajen en unidad”, explicó Juan José Rojas, investigador del SETEC y coordinador del Programa de Investigación en Energías Limpias del TEC.
Asimismo, el GW Sat impuso un reto a los investigadores. El enlace que se ofrece para la transmisión de datos es menor al que se tenía con Irazú.
“Con el enlace que teníamos con Irazú podíamos transmitir 9.600 bytes por segundo durante una pasada de satélite, mientras que con GW Sat tendremos 1.200 bytes por segundo. Lo que estamos haciendo, entonces, es condensando más esa información”, comentó Johan Carvajal de SETEC y añadió: “a lo que recibimos de los sensores, le aplicamos algoritmos de compresión para condensar la información para enviarla al satélite y cuando volvamos a recibirla, entonces nuevamente aplicamos algoritmos para descomprimir”.
Otra de las mejoras se hizo en materia de corriente. “Durante las pasadas del satélite, para poder transmitir la información, a veces se generaban picos de corriente. Se consumía demasiada corriente por la fuente (que convertía de corriente alterna a corriente directa) y a veces no se podía transmitir toda la información que queríamos”, dijo Carvajal.
“Nos vinimos a dar cuenta ahora con GW Sat, cuando un estudiante empezó a caracterizar la parte térmica del radio y detectó que el problema no era tanto que el radio se sobrecalentaba y se apagaba, que era nuestra hipótesis inicial, sino que la fuente que teníamos no nos generaba suficiente corriente para poder transmitir”, continuó.
Aparte de solucionar este tema, siempre se trabajó en el manejo térmico de la estación para evitar el sobrecalentamiento de los equipos electrónicos. También se buscó darle autonomía energética.
“Arriba del gabinete se tiene una adaptación para poner un panel solar y así cargar la estación. La primera que tuvimos (Irazú) estaba conectada a la red eléctrica nacional, mientras que con esta queremos que la estación sea autónoma eléctricamente. Ya tenemos estudiantes trabajando en sistemas de recolección y almacenamiento de energía”, manifestó Carvajal.
Otras mejoras se dieron a nivel del gabinete que contiene todos los sistemas electrónicos. Se le colocó una malla que impide el ingreso de insectos y también se está trabajando en un recubrimiento, ya que estará expuesto a la intemperie a merced de las condiciones ambientales de Palo Verde.
Para Carvajal, todas estas mejoras son innovaciones generadas por los investigadores y estudiantes del laboratorio, pero también tienen un propósito mayor. “Queremos que estos diseños, que son de bajo costo, se puedan replicar y otras naciones los puedan tomar, principalmente para que hagan monitoreo en áreas protegidas”, dijo.
Ahora bien, en cuanto al sistema de control, GW Sat contará con una cámara que captará imágenes para la observación terrestre como parte de la PoC. “Sí se van a generar imágenes, pero la cámara es limitada. Lo que queremos es ver si podemos monitorear un parque nacional con un satélite pequeño de forma eficiente”, dijo Chaves.
En el caso de otros CubeSats, estos requieren que el lugar a fotografiar esté justo debajo de la cámara. La innovación que viene a proponer el TEC es un sistema de control activo que permita dirigir la cámara hacia Palo Verde. “Lo que queremos demostrar es que podemos apuntar al país independientemente si está o no debajo del satélite”, manifestó el cofundador de SETEC.
Para ello se utilizarán los sistemas de propulsión que está generando GWU, los cuales también funcionarán como sistemas de control para la cámara. En otras palabras, el equipo de SETEC está diseñando el sistema que le dará órdenes a los propulsores del CubeSat para que dirijan la cámara hacia Palo Verde.
“No solamente estamos haciendo monitoreo ambiental, sino que estamos creando las capacidades para desarrollar observación terrestre”, destacó Chaves.
Asimismo, los investigadores desarrollan la instrumentación que les permitirá probar los algoritmos del sistema de control en Tierra.
Red de CubeSats
El Proyecto de Satélites BIRDS es una iniciativa de Kyutech. Su propósito es capacitar a estudiantes de posgrado, provenientes de países en desarrollo, en el uso de plataformas espaciales de bajo costo.
Lo que se hace, según Rojas, son PoC de pequeños satélites como una forma de transferencia de conocimiento por parte de Japón a países en desarrollo como Bangladesh, Nepal, Bután, Filipinas, Argentina, Paraguay, Nigeria, Ghana y Costa Rica.
Al conocer el proyecto Irazú, BIRDS decidió que ahora su red de satélites tendrá estaciones terrestres de monitoreo ambiental ubicadas en los países que son miembros de su red, las cuales utilizan S&F para la transmisión de datos.
“Lo bonito de BIRDS es que se está constituyendo en una red de países en desarrollo, coadyuvados por Japón, que están creando sus propias soluciones de monitoreo ambiental”, destacó Chaves. En este sentido, y como miembro de BIRDS, el SETEC trabaja en mejorar la compatibilidad con la red de pequeños satélites.
“Estamos hablando de un sistema en vuelo y otro en Tierra que está optimizado para las características de monitoreo ambiental, que tiene que ser efectivo desde el punto de vista energético, tiene que ser muy robusto y no requiera tanto ancho de banda para que el nodo dé información valiosa”, explicó Chaves.
Con BIRDS, SETEC aspira ya no a un proyecto con su respectiva misión tecnológica y científica, sino que apuesta a una red de CubeSats que permita al mundo en desarrollo también observar -desde el espacio- el planeta al que llama casa.
