Monitoreo ambiental yace en el ADN de las misiones espaciales ticas
Cuando se pensó en diseñar y ensamblar el primer satélite centroamericano, los ingenieros quisieron ir un paso más allá.
Si bien el CubeSat, un estándar de diseño para pequeños satélites, era una Prueba de Concepto o PoC para demostrar que existían capacidades en el país para desarrollar proyectos espaciales a nivel tecnológico, se quiso extender el alcance de la prueba para ver si era posible también diseñar y ejecutar una misión científica.
Podía ser cualquier misión científica, pero los investigadores e ingenieros se inclinaron por el monitoreo ambiental realizado desde plataformas espaciales.
Para Adolfo Chaves, coordinador del Laboratorio de Sistemas Espaciales del Tecnológico de Costa Rica (SETEC), el monitoreo ambiental no solo está en el ADN de Costa Rica por su trayectoria en conservación sino que representa una oportunidad de desarrollo para el país si se logra hacer desde el espacio utilizando alternativas costo-efectivas como los CubeSats.
“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”.
Para demostrarlo, el país ya cuenta con dos PoC: 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 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.
Irazú
Irazú fue el primer satélite diseñado y ensamblado en Costa Rica. En el proyecto participaron ingenieros del Tecnológico de Costa Rica (TEC), la Asociación Centroamericana de Aeronáutica y del Espacio (ACAE) y el Instituto Tecnológico de Kyushu (Kyutech).
Consistía en un CubeSat de un único módulo, el cual medía 10 centímetros (cm). El objetivo de la misión científica era demostrar las capacidades de Store and Forward (S&F) que tenía este pequeño satélite y la estación terrestre, que se instaló en una parcela forestal en las instalaciones del TEC en San Carlos, desde la cual se realizaban las labores de monitoreo.
El S&F es un protocolo utilizado en telecomunicaciones, que consiste en enviar datos a un nodo, almacenarlos y luego transmitirlos a otro nodo. En Irazú, el nodo ubicado en la parcela de monitoreo recolectaba los datos provenientes de los sensores, los empaquetaba y los transmitía al satélite cuando este pasaba 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.
Si bien este protocolo de S&F no ofrece una comunicación en tiempo real, sí entrega los datos en un tiempo aceptable. Para Julio Calvo, ingeniero forestal y director de la misión científica, la técnica permitió contar con datos sobre el crecimiento de los árboles sin necesidad de enviar personas a tomarlos manualmente.
En este sentido, la PoC fue exitosa en comprobar que el diseño de la misión científica funcionaba y ofrecía una alternativa de envío de datos de forma automatizada. De hecho, la norma en este tipo de investigaciones es tomar esos datos mensual o anualmente por los costos y la logística que implica enviar personas a las parcelas de monitoreo, las cuales pueden encontrarse en sitios remotos.
Para Calvo, el poder medir el crecimiento de los árboles diariamente es uno de los grandes aportes que trajo el proyecto a las labores de monitoreo ambiental.
El crecimiento de los árboles está asociado a la captura de carbono, por lo que los investigadores pueden utilizarlo como indicador de cuánto se está fijando y su relación con parámetros meteorológicos como temperatura, precipitación y radiación, entre otros. Con la particularidad de poder verlo a diario.
“Esta contribución es relevante, ya que hasta ahora no se han realizado estudios que aporten datos en el día a día que aborden la mitigación y adaptación de los ecosistemas bajo la variabilidad climática debida a los escenarios de cambio global”, se lee en un artículo que resume la ponencia presentada por el equipo del proyecto Irazú durante el Congreso Internacional de Astronáutica 2018.
Ahora bien, al ser una PoC, los investigadores necesitaban saber que los sensores efectivamente estaban midiendo el crecimiento arbóreo día con día y esa información se estaba transmitiendo efectivamente vía satélite. Por esa razón, la selección de la especie forestal era clave y se inclinaron por la melina (Gmelina arborea).
“Un cedro, por ejemplo, puede crecer 2 cm al año en diámetro. Es un crecimiento muy lento y notar una variación todos los días es muy difícil. Como este era un proyecto experimental, entonces pensamos en una especie que creciera tremendamente rápido. La melina crece rápido, sobre todo en las etapas tempranas. En los primeros dos años, el crecimiento es bárbaro, puede ser 10 cm en un año”, comentó Calvo.
Para medir el crecimiento, los investigadores recurrieron a cinco dendrómetros electrónicos, cuyos sensores ultrasónicos miden el diámetro de los árboles con alta precisión (menor a un milímetro y un margen de error de 3%). Estos sensores ópticos emitían una señal ultrasónica que era recibida por otro, el sensor que recibe mide el tiempo transcurrido desde la emisión hasta la recepción y, a partir de allí, calcula la distancia.
Los sensores empleados en Irazú se ubicaron a cada lado del árbol, con el fin de medir la distancia entre los árboles. “El principio es que, si el árbol crece, esa distancia empieza a disminuir”, explicó Calvo.
“El promedio de esos cinco dendrómetros que pusimos nos permitirá calcular, con mucha precisión, cuánto está creciendo la biomasa de toda la parcela y de ahí brincar a cuántas toneladas de dióxido de carbono y después cuántas toneladas de carbono total se está secuestrando, porque son cosas diferentes”, agregó el director científico.
Los datos recolectados por los sensores se enviaban al Ecologger, un dispositivo que se encargaba de recolectarlos y empaquetarlos para transmitirlos al CubeSat. No todos los días se logró transmitir, pero existen 18 paquetes de datos que exitosamente fueron cargados y descargados. Esa información de telemetría está a disposición del público en https://dashboard.satnogs.org/d/eWnadSeik/irazu
Los investigadores están analizando los datos recolectados por los dendrómetros a la luz de los datos tomados por la estación meteorológica que midió precipitación, humedad relativa, temperatura, presión barométrica, dirección y velocidad del viento. Esto permitirá conocer qué estaba detrás de los impulsos de crecimiento de la melina.
Los resultados serán publicados en un artículo científico.
Palo Verde
GW Sat es una PoC tanto en su misión tecnológica como en su misión científica. Consiste en un CubeSat de tres módulos, que pesa aproximadamente 4,5 kilogramos.
Este 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.
Su misión científica está basada también en el protocolo S&F. Esta vez, la estación terrestre se ubicará en los humedales del Parque Nacional Palo Verde.
Los humedales, además de brindar el servicio ambiental de regulación hidrológica, son sumideros de carbono. Sin embargo, son altamente vulnerables a incendios forestales, contaminación, especies invasoras y extracción de agua para irrigación.
“Los humedales de Palo Verde han tenido alteraciones hidrológicas muy grandes. Del 2005 al 2008, trabajé en un proyecto para restablecer el humedal más grande de Palo Verde y logramos devolverle agua, pero aún hay que hacer más”, comentó Calvo.
Los humedales del Pacífico, a finales de la estación lluviosa, poseen un espejo de agua muy grande. Conforme entra la estación seca, ese espejo de agua se va achicando y va creando un lago más pequeño. La clave es que el humedal no llegue a secarse completamente.
“Los humedales son ecosistemas muy vulnerables al cambio climático. Si las sequías son muy extensas, van a sufrir mucho. Entonces, para comprender los impactos, necesitamos monitorear la extensión del humedal”, señaló el director científico.
¿Cómo se mide la extensión del espejo de agua? Teniendo la información de la topografía a mano, se ingresan los datos correspondientes a la profundidad para así calcular la extensión de la laguna. A partir de esto, se puede establecer toda la dinámica de expansión y contracción del humedal.
Existen sensores comerciales que miden la profundidad, pero son dispositivos cerrados, que no permiten modificaciones para adaptarlos a los requerimientos de transmisión al satélite. Por ello, el TEC está trabajando en desarrollar su propio dispositivo desde cero, el cual permitirá contar on datos diarios.
“Medir diariamente la profundidad no es algo nuevo, como si lo era en el caso de los árboles del proyecto Irazú, pero aquí no se trata de si está resuelto o no, se trata de si nosotros podemos hacerlo, hacerlo mejor y más barato”, destacó Calvo.
Planes futuros
Según Chaves, estas PoC de misiones tecnológicas y científicas van fortaleciendo las capacidades del país con miras a ampliar el uso de CubeSats mediante un modelo de colaboración internacional.
De esta forma, los países tropicales podrían instalar estaciones terrestres para realizar monitoreo ambiental desde plataformas satelitales.
