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Qué son los nanosatélites CubeSat


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Por lo general, se considera que un satélite es pequeño cuando tiene menos de 300 kg. Sin embargo, un CubeSat tiene que cumplir ciertos requisitos, entre ellos su forma geométrica, tamaño y masa.

Los CubeSat son satélites de pequeñas dimensiones y poca masa. Están basados en un mismo modelo de forma cúbica conocido como CubeSat de 1 unidad (1U). El CubeSat de 1U tiene un tamaño de 10 cm por arista y entre 1 y 1,33 kg. Con el paso de los años, se fueron desarrollando y haciendo populares modelos de 1.5U, 2U, 3U, 6U, y 12U, es decir, modelos de satélites que no son otra cosa que varios CubeSat de 1U combinados en una estructura individual.
 
Antes de continuar, es necesario señalar cuáles son los términos utilizados para definir a las distintas categorías de satélites pequeños según su peso:

  • Minisatélites: son los satélites de entre 100 kg y 180 kg.
  • Microsatélites: son los satélites de entre 10 kg y 100 kg.
  • Nanosatélites: son los satélites de entre 1 kg y 10 kg.
  • Picosatélites: son los satélites de entre 0,01 kg y 1 kg (entre 10 gramos y 1 kilogramo).
  • Femtosatélites: son los satélites de entre 0,001 kg y 0,01 kg (entre 1 gramo y 10 gramos).

Por su masa, el modelo base o estándar de los CubeSat (1U) pertenece a la categoría de nanosatélites, ya que suele tener masa de entre 1 kg y 1,33 kg.

CubeSat 1U
CubeSat 1U - Cliquear para ampliar la imagen

El formato CubeSat surgió a partir de la iniciativa que tuvieron a finales de la década del '90 el profesor Bob Twiggs del Laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stanford, y el profesor Jordi Puig-Suari de la Universidad Estatal Politécnica de California (California State Polytechnic University, coloquialmente conocida como Poly). La idea de ellos era ayudar a los estudiantes universitarios a obtener experiencia en tecnologías satelitales que hasta entonces eran casi inaccesibles al público general debido a los altos costos que implican la construcción y lanzamiento de satélites al espacio. Este objetivo se cumplió, ya que en el transcurso de las siguientes dos décadas, instituciones académicas de diversas partes del planeta han desarrollado sus propios nanosatélites. Entre estas instituciones académicas no solo hay grandes universidades, sino que también pequeñas universidades, escuelas preparatorias e incluso escuelas de enseñanza primaria.
 
El modelo de nanosatélite CubeSat ha servido para acercar de forma práctica a estudiantes de escuelas técnicas y universidades de ingeniería a tecnologías espaciales, tanto en países desarrollados como en países que no cuentan con suficiente experiencia y desarrollo en materia espacial. Por lo tanto, puede servir para que estos futuros ingenieros con experiencia aeroespacial adquirida desde su formación académica, den nacimiento a futuros programas espaciales y mejoras en sistemas de telecomunicaciones en países con escaso desarrollo en la materia.


Tras más de dos décadas, esta iniciativa de dos profesores ideada para acercar a estudiantes universitarios a las tecnologías espaciales, ha generado una democratización del acceso al espacio, que permitió a ciudadanos comunes, organizaciones civiles e incluso empresas de tecnología a sumarse a esta revolución que no para de crecer.

Modelos de CubeSat
Modelos de CubeSat - Cliquear para ampliar la imagen

Los costos de fabricación de un satélite convencional pueden rondar varias decenas de millones de dólares o incluso superar los cien millones de dólares. Pero los CubeSat han permitido el acceso a tecnologías espaciales a muchas personas que de otra forma no hubiesen podido lograrlo. Esto fue posible en gran parte gracias a sus bajos costos de algunas decenas de miles de dólares. Con el paso del tiempo, la popularidad de estos nanosatélites ha crecido de forma notable, y en la actualidad incluso hay agencias espaciales que desarrollan sus propios CubeSat. Asmismo, existen empresas privadas que venden kits armables de estructuras de CubeSat.

Además, con el correr de los años y la miniaturización de diversas tecnologías -especialmente en informática y electrónica- estos nanosatélites se fueron volviendo cada vez más complejos y han pasado de ser casi exclusivamente educativos a convertirse en herramientas útiles de investigación científica.

Después de todo, no hay que olvidar que el satélite, independientemente de su tamaño, no es más que un vehículo que contiene equipos que realizan una tarea determinada por la que justamente fue puesto en órbita el satélite. Esta plataforma básica del satélite, llamada bus de satélite, consiste en su estructura, la fuente de energía que permite que todos los equipos funcionen (por ejemplo paneles fotovoltaicos de energía solar) y sistemas de propulsión que le permiten al satélite corregir su orientación y posición en órbita. Los equipos que lleva un satélite en su interior para la ejecución de una tarea específica para la que fue puesto en órbita, se denomina carga útil (payload en inglés). Por ejemplo, en un satélite de observación terrestre, las cámaras que lleva en su interior para capturar imágenes de la Tierra son la carga útil. El bus es el satélite propiamente dicho sin la carga útil en su interior.

Gracias a la miniaturización de tecnologías que componen a muchos de los equipos que forman parte de la carga útil, hoy los nanosatélites pueden cumplir muchos de los objetivos para los que antes se requerían satélites de mayores dimensiones.

Un elemento fundamental al momento del lanzamiento de los CubeSat es el contenedor. El contenedor es donde se colocan varios CubeSat para ser transportados en un cohete hasta el espacio exterior. Generalmente, se aprovecha y lleva más de un nanosatélite CubeSat en la nave que los transporta a la órbita donde serán colocados. Es normal que varias universidades que trabajan cada una en su propio proyecto CubeSat, se pongan de acuerdo para lanzar el mismo día a sus respectivos nanosatélites, utilizando los servicios de alguna agencia espacial.

Cuando se diseñó el contenedor de CubeSats, la idea era que en los lanzamientos se lo colocara en algún espacio de sobra disponible en la nave. Y es así como se suele llevar al espacio a los nanosatélites, ya que no pesan tanto ni ocupan demasiado espacio.

 
Hay que tener en cuenta que las agencias espaciales (como SpaceX, la NASA, la Agencia Espacial Europea, la Agencia Espacial Federal Rusa, entre otras) brindan servicios de transporte y puesta en órbita de satélites, al igual que lo hace una empresa de mudanza o de carga con sus camiones. Sin embargo, el costo de rentar un cohete para poner en órbita a un satélite es de varios millones de dólares, un valor que puede estar al alcance de un país o una gran compañía, pero que es inaccesible para los estudiantes de un proyecto académico. De hecho, gracias a estos servicios de carga, las agencias espaciales obtienen ingresos para poder cubrir los gastos de sus propios proyectos de investigación científica y exploración espacial.

Hacia el año 2018, la empresa SpaceX brindaba servicios de transporte de satélites en su cohete Falcon 9 por un costo de US$ 62 millones por lanzamiento, mientras que el costo de servicio de transporte en su cohete Falcon Heavy era de US$ 90 millones por lanzamiento.

Pero una de las ventajas de los CubeSat es su pequeño tamaño y escaso peso, por lo que muchas agencias espaciales suelen transportarlos gratis cuando se trata de proyectos académicos. Esto es posible porque los cohetes pueden transportar varior miles de kilogramos de carga, y un CubeSat de 1U apenas mide 10 cm por lado y pesa entre 1 y 1,33 kg (en comparación, un satélite de telecomunicaciones puede pesar 3000 kg, 4000 kg o incluso más en algunos casos). Dado que el tamaño diminuto y poco peso de los CubeSat no afecta de forma considerable a la misión, se los suele transportar gratis, en gran parte para fomentar a la educación en tecnologías espaciales de estudiantes universitarios o de preparatoria.

Una forma de poner en órbita a los nanosatélites CubeSat es colocarlos en un contenedor. Los contenedores son cajas de distintos tamaños, que pueden almacenar en su interior a uno o varios nanosatélites, dependiendo del tamaño de los CubeSat y del contenedor. Estos contenedores con nanosatélites dentro, son acoplados a un satélite de mayor tamaño. Una vez que el satélite de mayor porte se encuentra en órbita, una señal eléctrica (generada por una orden enviada desde tierra) activa a un dispositivo electromecánico que abre a una pequeña puerta del contenedor y los suelta en órbita.

Por ejemplo, el CubeSat peruano PUCP SAT-1, con una masa de 1,24 kg (1240 gramos) y 10 cm por lado, fue lanzado el 21 de noviembre de 2013 desde la base de lanzamiento de Yasny en Rusia, a bordo de un cohete Dnepr. Junto al PUCP SAT-1, eran transportados en un contenedor los siguientes nanosatélites académicos y de investigación:

  • El ICube-1 del Instituto de Tecnología Espacial de Pakistán. Un nanosatélite 1U de aproximadamente 1 kg.
  • El HumSat-D de la Universidad de Vigo en España. Un nanosatélite 1U de aproximadamente 1 kg.
  • El Dove-4 de la empresa privada Cosmogia Inc. Un nanosatélite 3U de 5,2 kg.

Estos 4 nanosatélites estaban dentro de un contenedor acoplado a un satélite italiano de 28 kg, el UniSat 5. Una vez que el UniSat 5 fue puesto en órbita, se abrió el contenedor y los nanosatélites fueron liberados en la órbita deseada (todos menos el Dove-4, que no pudo ser liberado). Estos satélites fueron puestos en una órbita de entre 578 y 626 kilómetros de altura.

Contenedores P-POD para satélites CubeSat
Contenedores P-POD para satélites CubeSat - Cliquear para ampliar la imagen

El contenedor fue bautizado con el nombre de P-POD (Poly-Picosatellite Orbital Deployer, que en inglés significa Desplegador Orbital de Picosatélite Poly) porque además de servir para guardar a los CubeSat al momento del lanzamiento, se lo acopla a un satélite de gran porte, del cual se desprende una vez que este útlimo es colocado en órbita. Luego, a través de una señal eléctrica enviada a un dispositivo electromecánico (sistema de despliegue) se abre la puerta del contenedor y se deja salir a los satélites que hay en su interior.

Como se muestra en la imagen de arriba, estos contenedores tienen resortes internos que despliegan (sueltan) a los nanosatélites al momento de abrirse la puerta una vez que se encuentran en órbita.
 
En un contenedor de 3U, hay capacidad para tres nanosatélites de 1U, o dos nanosatélites de 1.5U, o un nanosatélite de 3U. Cuando el satélite grande al que está acoplado se encuentra en órbita, se envía una señal eléctrica a un dispositivo electromecánico (sistema de despliegue) que abre la puerta del contenedor y deja libre en órbita a los nanosatélites que hay en su interior.

Los tamaños de contenedores pueden variar y se pueden encontrar con capacidad de 6U, 12U, 27U, etc.


En la actualidad, numerosas empresas privadas venden contenedores de diversos tamaños y con sistemas de despliegue. En algunos casos, los contenedores y sistemas de despliegue son desarrollados por los propios estudiantes como un reto más a superar en su proyecto.

 
En otras ocasiones, se evita el uso de un contenedor, y el nanosatélite es lanzado a mano por astronautas durante una caminata espacial fuera de la Estación Espacial Internacional. Un ejemplo de esto fue el nanosatélite peruano Chasqui-1, lanzado el 5 de febrero de 2014 desde el cosmódromo de Baikonur en la República de Kazajistán, a bordo de una nave Progress M 22M. Fue transportado a la Estación Espacial Internacional donde permaneció hasta el 18 de agosto de 2014 a la espera de la llegada de los cosmonautas que realizarían una caminata espacial y lo pondrían en órbita manualmente. Finalmente, Oleg Artemyev fue el cosmonauta que lo puso manualmente en una órbita de entre 412 y 419 kms de altura.

 

Cómo es el proceso de desarrollo de un CubeSat

Los tiempos de construcción de un CubeSat pueden variar dependiendo de: qué se quiere lograr con el nanosatélite, cómo se construye, cuántas partes son de producción propia y cuántas compradas a algún proveedor comercial.
 
Un nanosatélite, normalmente puede ser diseñando, construido y testeado en tiempos que varían entre 9 meses y 2 años, o a veces más. Una vez terminado el CubeSat, el tiempo de espera para el lanzamiento puede ser de unos pocos meses o algunos años, dependiendo de la disponibilidad de oportunidades de lanzamiento sin costo monetario. Generalmente, las agencias espaciales requieren que los CubeSat sean entregados entre 1 mes y 6 meses previos al lanzamiento. Esto último también varía según la agencia en cuestión.
 
Usualmente, las etapas de desarrollo de nanosatélites CubeSat son las siguientes:

  1. Fijar los objetivos de la futura misión.
  2. Asegurar que se cuenta con dinero suficiente para el proyecto.
  3. Armar un equipo de trabajo con capacidad para llevar a cabo un proyecto satelital.
  4. Diseño del nanosatélite.
  5. Obtención de licencias legales para operar un satélite.
  6. Preparación y presentación de documentación técnica y manuales del nanosatélite.
  7. Diseño, desarrollo y testeo de una estación terrena de control.
  8. Fabricación y testeo de componentes internos del nanosatélite.
  9. Ensamblaje del satélite y testeos.
  10. Colocación del nanosatélite dentro de un contenedor P-POD y testeos.
  11. Colocación del contenedor en un vehículo de lanzamiento.
  12. Lanzamiento.
  13. Operación de la misión satelital una vez puesto en órbita.

 
1. Fijar los objetivos de la futura misión
 
El primer paso consiste en elegir los objetivos de la misión. Esto es muy importante, ya que además de tratarse de la razón por la que el nanosatélite será enviado al espacio, es necesario conocer bien las metas que se quieren alcanzar, para presentar el proyecto a alguna agencia espacial que evaluará transportar al CubeSat sin costo. La agencia espacial lo aprobará dependiendo de los objetivos que se quieran lograr a través de su puesta en órbita
. Además, si el propósito de la misión es interesante, puede facilitar la búsqueda de financiamiento.
 
La agencia espacial puede aceptar llevar al CubeSat de forma gratuita si por ejemplo su puesta en órbita tiene por finalidad algún tipo de investigación científica de gran interés. Sin embargo, esto no garantiza su aprobación, ya que si se requiere que sea puesto en una órbita específica o que sea lanzado en una fecha determinada, puede que no hayan lanzamientos disponibles a corto plazo para esa órbita o fecha de lanzamiento requerida. Debido a esto, es importante que el proyecto también sea flexible en lo que respecta a esos puntos si es que se quiere lograr el aventón.

A veces, estos proyectos no son individuales, ya que es posible el trabajo en colaboración entre varios equipos con objetivos e intereses similares (por ejemplo, varias universidades trabajando en conjunto). Un ejemplo concreto de esto es el nanosatélite uruguayo ANTELSat, desarrollado por estudiantes de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República (FING) e ingenieros de la empresa estatal de telecomunicaciones de Uruguay, ANTEL. Por lo tanto, parte de esta etapa puede que consista en la búsqueda de socios colaboradores. A esto se lo denomina alianza estratégica y puede servir para sumar financiamiento e incorporar experiencia técnica al proyecto.
 
 
2. Asegurar que se cuenta con dinero suficiente para el proyecto

Si bien la construcción de un CubeSat es enormemente más económica que la de un satélite convencional de gran porte, igualmente tiene cierto costo monetario. Es por eso, que antes de presentar el proyecto ante una agencia espacial para solicitar la puesta en órbita gratuita del nanosatélite, es necesario asegurar que se cuenta con el dinero suficiente para terminarlo y entregarlo a tiempo, ya que de no hacerlo, la agencia espacial que haya aceptado ponerlo en órbita sin costo, no solo retiraría la propuesta, sino que podría llegar a perderse la oportunidad de volver a contar con sus servicios en un futuro. Es posible que durante la evaluación de un proyecto por parte de la agencia espacial a la que se le solicita los servicios pueda requerir la presentación de información acerca del presupuesto con el que se cuenta.

Si no se cuenta con suficiente dinero, existe la posibilidad de conseguir financiamiento. Cada año, numerosas organizaciones e instituciones académicas solicitan financiamiento para sus proyectos a diversas fundaciones civiles y gubernamentales. Organizaciones como la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos de América, o la propia NASA han colaborado monetariamente con varios proyectos de CubeSat. En el caso de estudiantes universitarios, también se puede solicitar ayuda financiera a la propia facultad, ya que un proyecto de esta magnitud puede servir promocionalmente como una muestra de los logros académicos alcanzados por la institución.

Los costos del proyecto pueden variar según el tipo de equipos que llevará en su interior el satélite como carga útil. También dependen de qué porcentaje de los componentes serán de diseño y fabricación propia y cuántos serán comprados. Existen numerosas compañías privadas que venden componentes de nanosatélites e incluso el CubeSat completo. Por lo tanto, un proyecto puede variar desde uno de diseño y fabricación totalmente propios, hasta uno en el que se compra un kit de CubeSat completo con todas sus piezas y al que sencillamente hay que ensamblar. La experiencia técnica de los participantes del proyecto puede afectar a la duración de la construcción del CubeSat.


Hacia junio de 2019, la empresa estadounidense Interorbital Systems ofrecía kits completos de CubeSat de 1U (1 kg) con estructura de aluminio de 10 cm por lado, batería de litio de 3.6V, todos los componentes electrónicos incluidos, celdas fotovoltaicas, transceptor de radio (es decir, transmisor-receptor de señales de radio), antena y microcontrolador incorporado, por un valor de alrededor de US$ 17.500 (con impuestos y envío incluidos). Si se trataba de un CubeSat 1U de 1,33 kg, el valor era de aproximadamente US$ 22.000. Ambos precios eran para proyectos académicos. Para proyectos comerciales el valor de un CubeSat 1U de 1 kg era de poco más de US$ 34.000, mientras que el del CubeSat 1U de 1,33 kg era de algo más de US$ 43.000.

No obstante, hay casos en los que los estudiantes prefieren diseñar y desarrollar desde cero gran parte de los componentes del satélite, incluyendo la estructura del propio CubeSat, lo cual puede requerir más tiempo de desarrollo y agregar varios meses o incluso años a la terminación del proyecto.

Una opción para conseguir parte del dinero del proyecto de nanosatélite es a través del sistema de financiación colectiva Crowdfunding, realizada vía Internet.

Algunas misiones de nanosatélites han recibido financiamiento por parte de agencias gubernamentales o entidades comerciales que quieren poner a prueba alguna nueva tecnología, pero que antes de probarla en un satélite convencional que cuesta más de US$ 100 millones, para evitar poner en riesgo a su satélite, prefieren incorporarla y testearla en un nanosatélite CubeSat. En esos casos, algunas universidades sin recursos suficientes pueden beneficiarse de esta situación.

Durante esta etapa, los responsables del proyecto deben buscar precios de los componentes que formarán parte del nanosatélite, así como de la carga útil que llevará en su interior (la carga útil son los equipos que realizan las tareas para las que se pone en órbita un satélite, por ejemplo una cámara en el caso de un satélite de observación terrestre). Otros costos que también se deben considerar son los de la construcción de una estación terrena para el control del satélite, pasajes aéreos para llevar ál satélite hasta el lugar donde será colocado en un contenedor P-POD y luego en un cohete que lo llevará al espacio. Para hacer frente a gastos inesperados, se suele recomendar tener un sobrante del 10% por sobre el presupuesto total calculado.

Usualmente, las agencias espaciales que ponen en órbita a CubeSat académicos de forma gratuita, solamente se hacen cargo de los costos del contenedor, lanzamiento y puesta en órbita del nanosatélite.

 
 
3. Armar un equipo de trabajo con capacidad para llevar a cabo un proyecto satelital

Para la ejecución de un proyecto de semejante envergadura, es necesario contar con un equipo lo suficientemente apto como para llevarlo a cabo. Incluir personas con experiencia en algunas de las tecnologías que se utilizarán puede llegar a ser beneficioso. Para asegurarse de que el desarrollo del nanosatélite será exitoso, es posible que la agencia espacial que se encargará del lanzamiento o los financistas del proyecto, requieran un estudio de viabilidad así como una evaluación de los miembros del grupo de trabajo. Es por eso, que antes de comenzar se necesita contar con personas totalmente idóneas para este trabajo.

 
 
4. Diseño del nanosatélite
 
Es importante, antes del comienzo del diseño del nanosatélite, conseguir información acerca del desarrollo de satélites CubeSat. En Internet se puede encontrar mucho material al respecto a través de publicaciones y foros de discusión de comunidades en línea dedicadas al tema. De ser posible, también es recomendable atender alguna de las conferencias anuales que realizan miembros de la comunidad de CubeSat. Es importante ponerse en contacto con personas que han tenido alguna experiencia pasada en la construcción de nanosatélites, ya que pueden ser de mucha ayuda ante problemas difíciles de resolver.

Es necesario investigar qué componentes servirán más para la misión que se desea llevar a cabo. En la actualidad, hay disponible un gran número de compañías que venden partes de nanosatélites, incluso por Internet. No obstante, a pesar de que estos componentes pueden ser comprados, muchos grupos de estudiantes universitarios prefieren desarrollar sus propios componentes para sumar experiencia técnica en el desarrollo de satélites, y también para mantener los costos más bajos.

Es necesario que el diseño sea sencillo si es que se quiere lograr la aprobación de alguna agencia espacial que acepte poner en órbita al CubeSat de forma gratuita. Se deben respetar los requisitos establecidos por la agencia espacial en cuestión. Por ejemplo, si el nanosatélite llega a contar con su propio sistema de propulsión para corrección de órbita, la agencia espacial o incluso los clientes de satélites de gran porte que sí pagaron por el servicio de lanzamiento y que serán la carga principal del cohete, puede que no estén muy tranquilos sabiendo que en el interior hay un nanosatélite fabricado por personas con poca experiencia y que contiene sustancias que pueden llegar a ser inflamables. Esto no significa que el proyecto sea rechazado, pero es posible que la aprobación por parte de alguna agencia se demore más. Por eso es muy importante cumplir con los requisitos de cada agencia espacial.

Por otro lado, es muy probable que algo se rompa durante la etapa de testeo del satélite. En estos testeos se efectúan pruebas de vibración, resistencia a intensos cambios de temperatura y movimientos bruscos, para chequear que el satélite esté listo para resistir las condiciones extremas a las que será expuesto durante el lanzamiento e incluso una vez que se encuentre en órbita. Si algún componente se llegara a romper durante la etapa de testeo, es posible que se necesite cambiarlo por uno nuevo. Debido a esto, es necesario diseñar un satélite en el que sus componentes más frágiles y más propensos a sufrir algún daño estén ubicados cerca del exterior del aparato y que sean fácilmente accesibles. Esto sirve para evitar complicaciones o tener que desarmar todo el CubeSat tan solo para cambiar un componente. Por lo tanto, una correcta organización de la posición de cada componente es fundamental durante la etapa de diseño.

Es muy necesario que el nanosatélite cumpla con las dimensiones estándar (longitud, ancho y altura) especificadas por la industria. Si llegara a tener algunos milímetros de más y no llegara a caber en el contenedor P-POD, el CubeSat podría ser rechazado al momento del lanzamiento, provocando una gran frustración. Es por ello, que el tamaño del nanosatélite debe ser compatible con los tamaños establecidos internacionalmente.

En lo posible, lo mejor es seleccionar modelos de componentes conocidos y que hayan sido utilizados exitosamente en otras misiones de CubeSat. Estos componentes incluyen baterías, antenas y sistemas de control fabricados por compañías con cierto prestigio. Esto no significa que el proyecto esté limitado a usar dichos componentes, pero al reducir los riesgos de posibles fallas, la agencia espacial o los financistas del proyecto tendrán mayor confianza y estarán más seguros de que no se presentarán problemas o fallas (no hay que olvidar que hay mucho dinero invertido en cada lanzamiento y misión satelital).

Es importante utilizar baterías con certificado UL, ya que esto demuestra que se trata de una batería confiable y que cumple con las especificaciones generales de la industria. Si se llegara a utilizar una batería sin certificado UL o se llegara a fabricar una batería propia, es posible que la agencia espacial solicite la realización de algunas pruebas adicionales para comprobar su calidad, eficacia y resistencia a condiciones extremas.


También es muy importante el uso de materiales con punto de fusión alto, ya que puede que sean expuestos a altas temperaturas que podrían derretirlos.

 
 
5. Obtención de licencias legales para operar un satélite

Todos los nanosatélites deben tener una licencia para transmitir señales de radio de una determinada frecuencia y otra licencia para el uso de instrumentos que capturan imágenes desde el espacio, como por ejemplo una cámara. La aprobación de este tipo de licencias puede llevar mucho tiempo. Antes de finalizar el diseño y previamente a la presentación del proyecto, es necesario conocer todos los requisitos técnicos y legales que se deben cumplir para la obtención de un permiso. Al poco tiempo de presentar el proyecto a alguna agencia espacial, es importante comenzar los trámites de solicitud para la obtención de estos permisos, ya que los tiempos de aprobación pueden ser largos y si no se cuenta con las licencias requeridas al momento de entrega del CubeSat a la agencia espacial para su lanzamiento, puede que termine siendo rechazado a último momento.

Las licencias de radio son necesarias, ya que las radiofrecuencias que se utilizan para la comunicación del satélite con la estación terrena de control, son otorgadas por agencias gubernamentales de telecomunicaciones encargadas de la gestión del espectro de ondas de radio. Este requisito no es exclusivo de los CubeSat, lo mismo ocurre con satélites comerciales de gran porte, canales de televisión o compañías de telefonía móvil que utilizan ondas de radio para transmitir sus señales, todas ellas deben obtener licencias otorgadas por las agencias gubernamentales de los países donde operan.

Si el nanosatélite contiene además una cámara, se necesita una segunda licencia que habilita la captura de imágenes desde el espacio. Adicionalmente, en el caso de Estados Unidos de América, para operar nanosatélites CubeSat con cámaras, deben ponerse en contacto con la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA) para averiguar si se requiere una licencia de detección remota (teledetección). La teledetección se refiere a la actividad de obtener datos acerca de un objeto o fenómeno físico que no se encuentra en contacto con el dispositivo detector (por ejemplo una cámara).

Es importante tener todos estos permisos tiempo antes del lanzamiento, de lo contrario la agencia espacial podría rechazar a útlimo momento llevar al CubeSat en su cohete.
 
 
6. Preparación y presentación de documentación técnica y manuales del nanosatélite

 
Una vez que la agencia espacial haya aprobado transportar al CubeSat en su cohete y encargarse de su puesta en órbita, se le asigna un coordinador al grupo de desarrollo del nanosatélite. Este coordinador realiza tareas de integración entre los grupos de desarrollo de los distintos CubeSat que serán colocados dentro de un mismo contenedor al momento del lanzamiento. Incluso, es posible que varios meses antes del lanzamiento, el coordinador organice una reunión entre los distintos grupos de trabajo (puede ser a través de una videoconferencia).

El coordinador solicita a cada grupo, documentación técnica sobre cada uno de los CubeSat que serán transportados, para asegurarse de que cumplen con los requisitos técnicos y de seguridad.

Es posible que durante la construcción del CubeSat, se apliquen algunos cambios al diseño original. Es importante que el coordinador esté enterado de cada cambio o inconveniente que llegara a surgir durante la etapa de desarrollo.

Algunos de los puntos que deben figurar en la documentación son los siguientes:

  • Garantizar que el satélite no contiene partes de gran tamaño que podrían llegar a sobrevivir tras el reingreso a la atmósfera, y que podrían causar daños si llegaran a caer a la superficie.
     
  • Garantizar que el satélite no provocará daños a otros satélites o vehículos en órbita y que no permanecerá en el espacio por más años de lo aceptable, para evitar la acumulación de más basura espacial en el futuro. El cumplimiento de estos y otros puntos serán solicitados por la agencia espacial.
     
  • Se debe proveer una descripción completa de la misión, de sus objetivos y de cada actividad que se llevará a cabo.
     
  • Se debe proveer una imagen completa y detallada del CubeSat que se desea enviar al espacio.
     
  • Se debe proveer una lista completa de todos los componentes del nanosatélite, incluyendo datos como la masa (en kilogramos), forma, tamaño y material del que está compuesto cada uno. También debe especificarse si alguno de los materiales utilizados podría llegar a ser peligroso o inflamable. Entre los datos provistos debe incluirse el número y certificado UL de la batería utilizada.
     
  • Información y detalles técnicos sobre el sistema de comunicación que utilizará el CubeSat.
     
  • Datos sobre propiedades físicas del nanosatélite, entre ellos: masa (en kilogramos) y ubicación del centro de gravedad. Estos datos son fundamentales para que el coordinador se encargue de realizar los cálculos necesarios, ya que se debe conocer el peso exacto de toda la carga que lleva en su interior un cohete al momento del lanzamiento. Cualquier cambio en el diseño durante la etapa de desarrollo debe ser comunicada de inmediato al coordinador para evitar errores o fallas de lanzamiento. Si por ejemplo el valor de la masa del nanosatélite supera los límites permitidos, es posible que sea rechazado.
     
  • Datos técnicos, propiedades físicas y químicas, así como números de certificados de la batería utilizada.
     
  • Datos sobre el tamaño del nanosatélite, para verificar que cabe correctamente dentro del contenedor P-POD. También es necesario entregar información sobre el tamaño del CubeSat antes y después de cualquier prueba de exposición a distintas temperaturas que se le haya realizado. Los cambios de temperatura provocan variaciones en el tamaño de los objetos (las bajas temperaturas generan contracción, mientras que las altas temperaturas su dilatación).
     
  • Un reporte sobre los sistemas eléctricos del CubeSat.
     
  • Análisis del sistema de ventilación del CubeSat. Como el cohete durante su ascenso se expone a un rápido descenso de la presión atmosférica, si alguna burbuja de aire quedara atrapada dentro del nanosatélite, podría llegar a estallar debido al brusco descenso de presión y generar algún daño al cohete o a los otros satélites transportados. Este reporte técnico debe demostrarle al coordinador que el CubeSat cuenta con una adecuada ventilación y que no provocará una explosión debido a la descompresión durante el ascenso hacia el vacío espacial.
     
  • Reportes completos y detallados de cada prueba o testeo que se le realice al CubeSat. Si durante alguna prueba se llegara a encontrar alguna falla, ésta debe ser reportada inmediatamente, incluso si se tratara de una prueba informal.
     
  • Reportes con datos que demuestren que debido a los cambios bruscos de temperatura y de presión, las soldaduras del nanosatélite no se romperán y que la batería no se derretirá.
     
  • Un documento firmado por el representante del nanosatélite que compartirá contenedor con otros CubeSat durante el lanzamiento. En dicho documento se debe declarar cumplimiento de los requisitos técnicos y de seguridad establecidos por la agencia espacial.

 
7. Diseño, desarrollo y testeo de una estación terrena de control

Una vez que el CubeSat se encuentre en el espacio, será necesario contar con una estación terrena de control para comunicarse con el satélite. El diseño y desarrollo de la estación terrena se realiza en paralelo al desarrollo del satélite en las primeras etapas del proyecto. Una estación terrena requiere varios componentes para su correcto funcionamiento, y dos componentes fundamentales son un radiotransmisor y una antena.

Si no se cuenta con personas experimentadas en radiocomunicaciones, el desarrollo y testeo de una estación terrena puede llevar mucho más tiempo que el estimado. Muchos desarrolladores de nanosatélites CubeSat, para armar su estación de control, recurren a componentes comerciales de radiotransmisión. Asimismo, solicitar la ayuda de radioaficionados puede ser de gran utilidad.

La estación terrena es utilizada para localizar la ubicación del satélite, enviar órdenes y descargar los datos enviados por el CubeSat. Si la estación terrena no llegara a funcionar luego del lanzamiento, podría llegar a causar el fracaso de la misión, por lo tanto es primordial realizar durante toda la etapa de desarrollo, diversas pruebas a la estación. Como práctica, el monitoreo de satélites que se encuentran en órbita es muy importante para acumular experiencia. Hay muchos satélites que pueden ser rastreados fácilmente (por ejemplo satélites de radioaficionados).

El equipo de trabajo debe familiarizarse con el rastreo de otros satélites y con el uso de radiofrecuencias. Existe una gran cantidad de nanosatélites CubeSat que transmiten en la banda UHF, alrededor de los 437 MHz de frecuencia, con señales suficientemente fuertes para ser captadas fácilmente, aunque es necesario saber cuáles satélites están activos y cuáles han dejado de operar. Por lo general, una regla de oro es averiguar lanzamientos recientes de satélites CubeSat, ya que es muy probable que estén operativos.

Para cuando sea la fecha de lanzamiento y el satélite esté en órbita, el grupo encargado del proyecto debe contar con amplios conocimientos sobre comunicaciones satelitales. Para ello, es muy importante leer libros y documentos publicados en Internet sobre el tema. También es conveniente ponerse en contacto con estudiantes de otras universidades que hayan enviado al espacio sus satélites CubeSat y que cuentan con experiencia.
 
 
8. Fabricación y testeo de componentes internos del nanosatélite
 
Muchos de los componentes del CubeSat pueden ser adquiridos de proveedores comerciales, pero en el caso de satélites universitarios, fabricar sus componentes puede ser muy útil para sumar experiencia técnica, además de reducir considerablemente los costos del proyecto. Entre los componentes que se pueden fabricar, se incluye la propia estructura metálica del satélite. Los tiempos de construcción de los componentes pueden variar según el nivel de experiencia de los participantes del proyecto.

Una buena costumbre es tomar frecuentemente fotografías del satélite y de sus componentes, para contar con un archivo detallado del progreso de cada fase del proyecto. Esto puede ser de gran utilidad cuando hay cambios en los miembros del grupo, algo que puede ocurrir en casos en los que algunos estudiantes se gradúan, abandonan el proyecto antes de su terminación y son reemplazados por otros estudiantes con menos experiencia.
 
 
9. Ensamblaje del satélite y testeos

Esta etapa consiste en la integración de todos los componentes dentro de la estructura del CubeSat. Algunos grupos que fabrican un mayor porcentaje de los componentes, pueden llegar a construir dos satélites de forma simultánea, uno de ellos serviría para experimentar o realizar pruebas de componentes antes de colocarlos en el satélite que será enviado al espacio.

Montaje de la estructura del CubeSat PW-Sat 2
Montaje de la estructura del CubeSat PW-Sat 2 - Cliquear para ampliar la imagen

Durante toda la etapa de ensamblaje, se realizan pruebas de vibración, de intensos cambios de temperatura y presión, así como de movimientos bruscos, para asegurarse de que el satélite estará listo para resistir las condiciones extremas a las que será expuesto durante el lanzamiento e incluso una vez que se encuentre en órbita. Además, existen contenedores de prueba, para simular de forma más realista el comportamiento del CubeSat durante el lanzamiento.

Prueba de paneles solares del CubeSat PW-Sat 2
Prueba de paneles solares del CubeSat PW-Sat 2 - Cliquear para ampliar la imagen

 
 
10. Colocación del nanosatélite dentro de un contenedor P-POD y testeos

Una vez que el CubeSat está terminado y se han realizado todos los testeos exitosamente, es momento de entregarlo para que sea colocado dentro de un contenedor P-POD, posiblemente junto a otros nanosatélites. Para ello, habrá que viajar hasta el sitio donde el coordinador de la agencia espacial lo haya indicado. Esta etapa puede llevar dos días.

Una vez que se haya llegado al sitio donde será integrado junto a otros CubeSat dentro de un contenedor, se lo desempaca y lleva a una sala limpia (una sala con bajo índice de partículas de polvo en el ambiente). Es posible que el responsable de colocar a los CubeSat dentro del contenedor, solicite la ayuda de los responsables de cada proyecto para esta tarea. En algunos casos, una vez que todo esté listo, es posible que el responsable de cada proyecto tenga la oportunidad de colocar su CubeSat dentro del contenedor. Por útlimo, se cierra el contenedor P-POD. Todo este proceso es registrado a través de fotografías que luego pueden servir como promoción del proyecto.

A continuación -con probabilidad al día siguiente-, se realizan las pruebas de vibración del contenedor con todos los CubeSat en su interior, para verificar que fueron colocados correctamente. Aunque los testeos son realizados por técnicos especializados, por lo general, los desarrolladores de cada nanosatélite están presentes en esta etapa última etapa de pruebas. Además, suele tratarse de la última vez que los desarrolladores ven a sus satélites.

Una vez chequeado por útlima vez que todo está bien, el contenedor con los satélites en su interior, es empaquetado y enviado a la base de lanzamiento para ser colocado dentro del cohete.

Colocacion de CubeSat dentro de contenedor P-POD
Colocación de CubeSat dentro de un contenedor P-POD - Cliquear para ampliar la imagen

 
11. Colocación del contenedor en un vehículo de lanzamiento

El contenedor de los CubeSat es llevado a la base de lanzamiento y entregado a técnicos que lo limpian y examinan. Luego se lo coloca y ajusta dentro de la nave junto al resto de la carga que será transportada al espacio. Esta etapa no es presenciada por los desarrolladores de los satélites. Las agencias espaciales son muy cautelosas y exigentes al respecto, solamente puede estar allí el personal técnico responsable. Este proceso puede tomar entre medio día y 1 día, dependiendo del tipo de cohete.
 
 
12. Lanzamiento
 
El lanzamiento se realiza desde la base donde opera la agencia espacial que haya aceptado transportar sin cargo al CubeSat. La fecha del lanzamiento puede ser modificada y no coincidir con la fecha establecida en un principio. Los motivos del cambio de fecha pueden ser por necesidades de los clientes que hayan pagado por el servicio de lanzamiento (por ejemplo si se le presenta alguna demora a una compañía o país que quiera enviar al espacio un satélite) o por necesidades de la propia agencia espacial. Sin embargo, solamente los clientes de la carga principal pueden solicitar cambios de fechas, mientras que los desarrolladores de nanosatélites CubeSat que serán transportados de forma gratuita en el espacio sobrante de la nave, no pueden influir en la fecha de lanzamiento y deben respetar cualquier decisión que hayan tomado las otras partes. Si algún proyecto de CubeSat académico se demora, la fecha de lanzamiento no se modifica, y si no se entrega a tiempo, pierde su lugar en la nave.


Aunque los desarrolladores de CubeSat académicos no participan de forma activa en las operaciones del lanzamiento, igualmente son invitados a la base para presenciar el despegue del cohete que llevará a su nanosatélite al espacio. Los gastos del viaje a la base para estar presentes durante el lanzamiento, dependen de cada grupo y la agencia espacial no se hace cargo en lo absoluto. Asimismo, si por alguna razón la fecha de lanzamiento se posterga algunos días, los desarrolladores del CubeSat que hayan viajado para estar presentes, deberán extender su estadía si quieren presenciar al despegue.


No obstante, en la actualidad, gracias al gran desarrollo de las comunicaciones, el lanzamiento puede ser visto a través de transmisiones en vivo.

 
 
13. Operación de la misión satelital una vez puesto en órbita
  
Una vez puesto en órbita el CubeSat, lo primero que tienen que lograr los miembros del grupo de trabajo que se encuentran en la estación terrena de control, es tratar de ubicarlo. Para ese momento, deben contar con suficiente entrenamiento en la detección de satélites. Puede ser de gran ayuda solicitar la colaboración de radioaficionados con experiencia en la materia. Incluso, durante y posteriormente a cada lanzamiento, suelen realizarse chats grupales en línea de radioaficionados que intentan detectar nuevos satélites en órbita. Ponerse en contacto con estas personas y solicitar su ayuda puede resultar de gran utilidad.


Para la primera detección del CubeSat recién puesto en órbita, también puede servir el Centro de Operaciones Espaciales de la Fuerza Aérea de Estados Unidos de América, que opera desde la Base Vandenberg en California. Este organismo, publica en su sitio Web datos actualizados sobre la mayoría de los satélites en órbita que detecta. También, cuenta con una extensa base de datos con información sobre la mayoría de los satélites puestos en órbita desde 1957, cuando se lanzó el primer satélite de la historia.
 
Una vez detectado el CubeSat, comienzan las operaciones y la recepción de datos (por ejemplo imágenes, sonidos, etc) por los que fue enviado al espacio este aparato.

Despliegue de satélites CubeSat
Despliegue de satélites CubeSat desde un contenedor P-POD acoplado al módulo de experimentación japonés Kibo en la Estación Espacial Internacional - Cliquear para ampliar la imagen

Historia de los CubeSat

El modelo de CubeSat surgió a partir de la iniciativa que tuvieron en 1999 el profesor Jordi Puig-Suari de la Universidad Estatal Politécnica de California (California State Polytechnic University, coloquialmente conocida como Poly) y el profesor Bob Twiggs del Laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stanford.

En 1995, cuando Bob Twiggs trabajaba como profesor en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Stanford, pensaba que para que sus estudiantes puedan adquirir experiencia y se conviertan en mejores ingenieros, sería muy beneficioso para ellos tener acceso al desarrollo de satélites. Sin embargo, la industria satelital era casi inaccesible, dado que participar en esto implicaba costos muy altos para el presupuesto de la mayoría de la universidades. Igualmente, ese mismo año puso en marcha un proyecto universitario a través del cual los estudiantes desarrollarían un satélite.

Así comenzó la construcción de un microsatélite, en el que participaron alrededor de 200 estudiantes. Pero la construcción llevó varios años. Como se trataba de un satélite de más de 20 kg, con el paso del tiempo, los estudiantes seguían sumando más cosas al satélite y el proyecto parecía no tener fin. Fue entonces cuando Twiggs les dijo a sus estudiantes que quería que lo finalizaran de una vez. Ellos le respondieron que si él les conseguía un lanzamiento, ellos terminarían el satélite. Entonces, Twiggs les aseguró que si lo terminaban, les conseguiría el lanzamiento deseado.

Bob Twiggs quería que sus alumnos terminaran un satélite en un lapso de aproximadamente dos años, pero un proyecto de semejante envergadura era demasiado complejo y costoso, al menos para terminarlo en tan poco tiempo. Tuvieron que enfrentar varios inconvenientes que demoraron la finalización, entre ellos: la interrupción del financiamiento, problemas técnicos y la imposibilidad de poder adquirir un sistema de transmisión de alta potencia para la comunicación con el satélite, un componente esencial en toda clase de satélite.

Finalmente, pudieron superar todos los inconvenientes y consiguieron financiamiento. De esta manera, habían terminado al microsatélite de 25,5 kg llamado OPAL (Orbiting Picosatellite Automated Launcher, que en inglés significa Lanzador Automático Orbitante de Picosatélites). Se llamaba así, porque en su interior llevaría seis picosatélites que serían expulsados una vez colocado en órbita.

El 26 de enero de 2000, el OPAL fue lanzado desde la Base Vandenberg en California y colocado en una órbita de aproximadamente 750 km de altura. Una vez en órbita, de su interior salieron dos picosatélites construidos por la compañía Aerospace Corp, tres construidos por estudiantes de la Universidad de Santa Clara y uno hecho por un grupo de radioaficionados de Washington, D.C.

Luego del lanzamiento, Twiggs pensó que dada la gran cantidad de complicaciones que tuvieron que enfrentar y el tiempo que demandó la construcción de un satélite de aproximadamente 25 kg, sería más práctico utilizar para fines académicos algo similar a un picosatélite del tamaño de una barra de chocolate.

En una ocasión, Twiggs fue a una tienda donde vendían un tubo de plástico de 10 cm donde se guardaban unos muñecos de moda en la época, llamados Beanie Babies. Le pareció que el tamaño de esa caja de plástico era ideal para un satélite. Compró la caja y comenzó a idear diseños de satélites sencillos. Además, diseñó un contenedor donde se colocarían estos satélites al momento de ser lanzados.

Los diseños del modelo de satélite y del contenedor fueron realizados en colaboración con Jordi Puig-Suari de la Universidad Estatal Politécnica de California (California State Polytechnic University, coloquialmente conocida como Poly).

El contenedor fue bautizado P-POD (Poly-Picosatellite Orbital Deployer, que en inglés significa Desplegador Orbital de Picosatélite Poly) porque además de servir para guardar los satélites al momento del lanzamiento, se lo acoplaba a un satélite de gran porte, del cual se desprendía una vez colocado en órbita. Luego, a través de una señal eléctrica enviada a un dispositivo electromecánico (sistema de despliegue) se abría la puerta del contenedor y se dejaban salir a los picosatélites que había en su interior.

A pesar de que la idea inicial era que se tratara de picosatélites (de menos de 1 kg), dado que para generar suficiente energía eléctrica se requerían paneles fotovoltaicos un poco más grandes, el diseño estándar del CubeSat básico terminó siendo de 10 cm x 10 cm x 10 cm y de 1 a 1,33 kg; valores que corresponden a la categoría de nanosatélites.

De esta manera, lo que comenzó siendo un simple proyecto universitario, y que en un principio recibió muchas críticas negativas, ya que lo consideraban un juguete que a nadie le interesaría, y que incluso recibió rechazos por parte de empresas de la industria aeroespacial, se terminó convirtiendo en una herramienta revolucionaria que en la actualidad es utilizada no solo con fines educativos, sino por parte de compañías de telecomunicaciones, organizaciones científicas y agencias espaciales en sus respecitvas actividades.

 
  
Fuentes de información:


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