Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Seu próprio satélite: 7 coisas para saber antes de ir

Tudo o que peço é um lançamento bem-sucedido, um sinal de rádio limpo e uma vida longa o suficiente para alcançar esse objetivo.

Se os balões de alta altitude não forem suficientemente altos, se você se sentir frustrado com o ritmo do desenvolvimento do espaço ou se realmente gostar de foguetes e equipamentos, acho que lançar seu próprio satélite é uma excelente decisão. Mas primeiro, o que você quer que seu satélite faça? Aqui estão 7 coisas importantes que você precisa saber antes de lançar sua espaçonave pessoal em órbita a 17.000 milhas por hora.

Aurora vista da ISS em órbita terrestre baixa, imagem cedida pela NASA

O que é um picosatélite?

Picosatélites, por definição, são satélites extremamente pequenos e leves. Qualquer picosatélite tenderá a ter esses componentes principais:

  • Uma antena
  • Um transmissor de rádio para comandos uplinking ou baixar seus dados
  • Um computador em um chip, como um Arduino ou um Basic-X24
  • Um sistema de energia, na maioria das vezes células solares mais uma bateria mais um barramento de força
  • Sensores

O progenitor da classe pico é o CubeSat, uma arquitetura de código aberto que permite embalar o que você quiser no cubo de 10cm × 10cm × 10cm.

O CubeSat é um satélite tão fofo quanto uma abóbora. A Forbes informou sobre um fornecedor, a Pumpkin Inc., que fornece CubeSats pré-fabricados. O próprio CubeSat é uma especificação, não uma peça de hardware disponível no mercado, então a Pumpkin decidiu pré-construir kits e vendê-los. Se você tiver seu próprio foguete para lançar seu CubeSat, por US $ 7.500, ele venderá um kit CubeSat.

Isto é perfeitamente paralelo ao TubeSat da InterOrbital Systems. A Interorbital Systems (IOS) tem a vantagem de preço / desempenho, já que eles lançam o lançamento pelo mesmo custo. Mas parece que nem o IOS nem o Pumpkin fornecem premades, apenas kits. Portanto, ainda há trabalhos amadores envolvidos, mas os kits eliminam a necessidade de engenharia e deixam a parte divertida de montagem e integração.

TubeSat e CubeSat, duas variantes de um picosatélite, com quartos mostrados em escala

O TubeSats e o CubeSats são um pouco diferentes, é claro, e estou incrivelmente satisfeito por ambos estarem avançando na ideia de kits de plataforma. Este é um grande passo na mercantilização da pesquisa espacial. Mesmo que o mini CubeSat pareça estranhamente similar a uma caixa Hellmariser Lemarchand.

Quanto custa para lançar?

Se você construir um CubeSat, segurar um foguete para lançá-lo não é difícil, apenas caro. Um custo típico de lançamento do CubeSat é estimado em US $ 40.000. Existem vários provedores comerciais que prometem futuros foguetes CubeSat, assumindo que eles completem o desenvolvimento. Vários projetos da NASA e da Estação Espacial Internacional aceitam algumas propostas usando a arquitetura CubeSat. Há mais empresas entrando no negócio de lançamento privado a cada ano, então as perspectivas de obter um lançamento estão se tornando mais robustas.

A arquitetura TubeSat da InterOrbital Systems é um esquema alternativo. Atualmente apenas suportado pela InterOrbital, é muito rentável. Você obtém os esquemas, os principais componentes de hardware e um lançamento em seu foguete ainda em desenvolvimento pelo preço único de US $ 8.000. Um TubeSat usa uma arquitetura hexagonal ligeiramente mais longa, 12cm de comprimento e 4cm de diâmetro.

Você também pode trabalhar com uma arquitetura personalizada se tiver acesso a um lançamento de foguete (por meio de uma faculdade ou universidade, talvez), mas atualmente os dois principais jogadores são a especificação CubeSat aberta e a alternativa privada do TubeSat.

Onde está a órbita?

Para onde vai o seu picosatélite? É quase certo que o seu picosatélite vai para a órbita terrestre baixa (LEO), uma banda larga que varia de cerca de 150 km até talvez 600 km. Esta é a região que também possui muitos satélites científicos e a Estação Espacial Internacional (ISS). Está dentro e abaixo da ionosfera, a parte muito fina da atmosfera que também coincide com grande parte do campo magnético da Terra.

O campo magnético da Terra nos protege da atividade mais feroz do Sol. Partículas de alta energia, emissões de flare e ejeções de massa coronal (CMEs; basicamente gotas de material solar) são desviados pelo campo magnético antes que possam atingir o solo. Onde as linhas do campo magnético se aproximam dos pólos, essa energia se expressa como a aurora.

Vista da órbita terrestre baixa de uma aurora (imagem ISS006E18372, cortesia da NASA)

Acima da ionosfera, o ambiente espacial pode ser hostil devido à atividade solar. Abaixo, os riscos de radiação são muito menores. É por isso que a ISS é mantida em LEO. O LEO é, no fundo, tão seguro quanto o espaço pode chegar. É também onde seu picosatélite provavelmente viverá.

Uma órbita típica do LEO tem um período de cerca de 90 minutos. Ou seja, ele gira em torno da Terra uma vez a cada 90 minutos, fazendo cerca de 15 órbitas por dia. As órbitas podem ser posicionadas perto do equador da Terra (órbitas equatoriais) ou do ciclo do norte ao pólo sul (órbitas polares). Da mesma forma, as órbitas podem ser quase circulares ou altamente excêntricas - aproximando-se da Terra em uma extremidade da órbita e, em seguida, movendo-se para longe na outra.

Quanto tempo meu satélite durará?

Sua órbita é totalmente determinada pelo que seu provedor de foguetes lhe vendeu. No nível amador, você provavelmente obterá uma órbita quase circular padrão de 250 km, equatorial ou polar. Tal órbita dura (devido ao arrasto da ionosfera tênue) de 3 a 16 semanas antes que o satélite sofra uma reentrada de fogo.

Em massas de picosatélites, isso significa que seu satélite subirá e não retornará. Você tem menos de três meses para coletar dados. O picosatélite irá, essencialmente, vaporizar nitidamente após a reentrada (sem risco de lixo espacial!)

Como está o clima lá em cima?

Condições LEO e Viabilidade

A ionosfera é chamada porque é um plasma muito fino de átomos eletricamente carregados (íons) e elétrons, devido à radiação ultravioleta (UV) do sol. Tecnicamente, ele se estende de cerca de 50 km até mais de 1.000 km (graças à Wikipédia!), Mas o LEO começa a 150 km - abaixo disso, você não consegue manter uma órbita estável. A ionosfera, como mencionado, é impulsionada pela atividade solar. A porção voltada para o Sol tem mais ionização; Além disso, a atividade solar pode conduzir seu comportamento fortemente. Há também mergulhos na linha do campo magnético, levando a aumento de radiação em altitudes mais baixas. Mencionamos os pólos, e regiões como a Anomalia do Atlântico Sul (SAA) também têm linhas de campo que são mais baixas.

Se você está enviando sensores, você deve garantir algumas coisas:

  • Eles têm um nível de sensibilidade adequado ao nível de sinal que você está tentando medir.
  • Eles têm um intervalo dinâmico que permite extrair dados significativos.

Temperaturas LEO

Uma placa de metal em LEO irá alternar de –170 ° C a 123 ° C, dependendo da sua face solar e do seu tempo à luz do sol. Se o seu picosatélite estiver girando, isso equilibrará um pouco a distribuição de calor, mas esse é o intervalo a ser assumido. Uma órbita tem aproximadamente metade de seu tempo na luz do sol e a outra metade na sombra da Terra, então o comportamento da temperatura vale a pena ser modelado.

Como o picosatélite está girando, esse intervalo é felizmente menor (já que o calor tem tempo de se distribuir e dissipar) e, com uma órbita de 90 minutos, você deve percorrer três faixas: muito frio para registrar; regiões de transição em que o sensor retorna dados válidos que mudam lentamente; e possivelmente supersaturando na extremidade alta. Você pode adicionar um aquecedor, se necessário - os satélites usaram aquecedores e resfriadores, dependendo do instrumento e do revestimento.

Portanto, um sensor térmico (como um sensor de marca microDig Hot) que cobre –40 ° C até 100 ° C será suficiente. O intervalo de –40 ° C a 100 ° C é uma área viável para medir. Em qualquer caso, após esse intervalo, o resto da eletrônica do satélite pode ter problemas.

LEO Light

Da mesma forma, um sensor de detecção de luz, para um picosatélite giratório, provavelmente retornará apenas um sinal binário: Sol super brilhante em vista e Sol não visível. Então, tudo o que ele medirá é o tempo de quando o Sol está à vista. A função dos sensores de luz será em grande parte binária, para capturar os ciclos do Sol-escuro enquanto gira, bem como o ciclo geral dia / noite da órbita. Se houver uma ligeira queda no satélite, melhor ainda. Esses sensores de luz fornecerão uma medida básica da posição e oscilação do satélite. Se você quiser medir os níveis reais de luz, seu design terá que garantir que a Sun não sature seu detector.

Campo Magnético LEO

A ionosfera tem uma força de campo na ordem de 0,3 a 0,6 gauss, com flutuações de 5%. Para uma órbita polar, você terá maior variabilidade e campos magnéticos mais altos do que uma órbita equatorial (conforme as linhas do campo magnético da Terra se aproximam dos pólos, daí as auroras). Se você quiser medir a flutuação, não a intensidade do campo, você precisa capturar sinais de 0,06 a 0,1 gauss. Um sensor de efeito Hall de US $ 10 mais um amplificador operacional poderia medir variações de até 0,06 gauss se não houver um grande campo magnético externo. Abaixo disso, o ruído dos circuitos do seu sensor, não do sensor, provavelmente será o fator limitante.

Que sobre o dano da partícula (radiação)?

A vida da missão é curta (menos de três meses), então você não precisa se preocupar com danos acumulados. Costumava fazer modelos de dano por radiação na escola e, de fato, a eletrônica moderna é surpreendentemente robusta em escalas de tempo curtas. Você basicamente terá problemas de eventos únicos (SEPs) que misturam um sensor ou computador, mas como provavelmente você não precisa de 100% de tempo de atividade, isso não deve ser um problema. Na verdade, falhas irão adicionar um caráter interessante aos seus dados derivados. Se você encontrar, por exemplo, uma tempestade solar, será interessante ver como os sensores lidam com isso, seja com saturação ou com sinais espúrios. Um contador proporcional ou equivalente substituto (como um microDig Reach) pode medir essas contagens de partículas.

E, finalmente, a coisa mais importante a saber:

Qual é a minha missão?

O que diabos você quer que seu picosatélite faça? Você pode perfeitamente separar as escolhas típicas dos picosatélites em missões científicas, missões de engenharia e obras de arte. Uma carga de ciência mede coisas. Uma carga útil de engenharia testa hardware ou software. Um projeto de arte instancia um conceito elevado. Nós vamos visitar cada um.

Ciência!

Em uma missão científica, seu picosatélite medirá alguma coisa. A ciência é sobre a medida em seu coração. Existem três tipos de missões que você pode fazer: apontar, in-loco e engenharia.

Uma missão apontada é como um telescópio. Seu picosatélite aponta para um objeto de interesse - o Sol, a Lua, as estrelas, o fundo do céu ou a Terra - e o observa. Note que apontar para a Terra requer uma licença - não é difícil de obter, mas a privacidade é protegida no espaço de hobby.

Você pode apontar aleatoriamente, mas isso não parece muito útil. Você pode definir um modo de levantamento, no qual o seu picosatélite recebe uma orientação específica em sua órbita, de modo que, em cada órbita, ele varre o céu de maneira previsível. Ou, você pode fazer apontamentos ativos, fazendo com que o picosatélite fique onde você deseja.

Apontar ativamente é bastante desafiador. Você precisa conhecer sua posição com muita precisão. O uso de referências inerciais - conhecimento da órbita inicial e previsão interna de como o satélite está viajando - é inexato para fins de indicação do sensor. Portanto, apontar normalmente requer algum tipo de rastreador de estrelas. Estes são dois ou mais telescópios de campo amplo que fazem a imagem do céu e o comparam a um catálogo a bordo de estrelas de referência brilhantes conhecidas.

O rastreamento de estrelas é tecnicamente complexo e provavelmente além das limitações de peso e design de um picosatélite típico. No entanto, veja “Engenharia!” Abaixo, para mais sobre isso.

Um uso mais comum da ciência do picosatélite é a medição in situ. Esse é o uso de sensores que medem a região em que o satélite está, sem precisar apontar. Um termômetro é um exemplo perfeito de um detector in situ. Ele mede a temperatura e você não precisa apontar com precisão para saber se funciona.

Outras medições in situ do LEO podem incluir o campo elétrico e magnético na ionosfera, a luz do Sol ou o brilho refletido da Terra, medindo a densidade ionosférica ou rastreando a cinemática de sua órbita e posicionamento (como você está se movendo).

Ou talvez você não queira medir algo cientificamente, só quer construir coisas. Isso é engenharia.

Engenharia!

Um picosatellite de engenharia usa a plataforma para experimentar alguns novos conceitos de hardware espacial ou para praticar na construção de suas próprias variantes de hardware espacial conhecido.

Você pode fazer um microsatélite para testar qualquer um dos componentes de hardware.Um novo sistema de energia, um novo método de posicionamento, um novo tipo de comunicação por rádio ou por relé, novos sensores - qualquer componente do satélite pode ser construído e melhorado.

Três onças de instrumentação pilotável

Alguns projetos de microssatélites envolveram testes - em pequena escala - de novos conceitos de propulsão por satélite, desde motores de íons até velas solares. Quer testar uma estação espacial inflável em miniatura, ou ver se você pode fazer um picosatélite que se desdobra para formar um grande ponto de salto de radioamador? Construa!

Outro motivo de engenharia pode ser testar componentes específicos: por exemplo, comparar um equipamento eletrônico personalizado com um componente COTS (comercial pronto para uso) para ver se os satélites (de qualquer tamanho) podem ser mais econômicos. Ou você pode testar novos métodos de compactação de dados ou métodos alternativos de fazer operações a bordo.

A inovação nas operações é um subconjunto de objetivos de engenharia que vale a pena explorar ainda mais. Picosatélites poderiam ser usados ​​para testar a coordenação de uma constelação de satélites. Eles podem ser leitos de teste para estudos de mecânica orbital, ou lições em operações de satélite coordenadas. Como a maneira mais barata de obter acesso ao espaço, eles são excelentes bancos de testes para prototipar novas maneiras de fazer o trabalho de satélite antes de passar para missões de milhões de dólares.

Conceito de arte!

Finalmente, há peças conceituais. Meu próprio “Projeto Calliope” TubeSat reúne medições in situ da ionosfera e as transmite à Terra como música, um processo chamado sonificação. A intenção é retornar uma noção do ritmo e nível de atividade do espaço, em vez de dados numéricos, para que possamos ter uma noção de como o sistema Sol-Terra se comporta.

Você não é uma missão real até ter seu próprio trecho de voo.

Você pode lançar um satélite para fazer qualquer coisa. Envie cinzas ao espaço. Enviar uma bandeira de oração do Himalaia. Lançar o seu anel de casamento de titânio em órbita. Qualquer ideia híbrida de arte, música ou arte / música / ciência é bem-vinda porque é o seu satélite. Apenas dê um propósito ou utilidade além do espetáculo de poder lançar seu próprio satélite.

Definindo ciência (cortesia science20.com/skyday)

Resolva um problema decadal para toda a humanidade

Aqui está um exercício de design que pede para você inventar um satélite. O ponto não é se você pode construir, mas se você pode conceber e delinear uma idéia que vale a pena construir em primeiro lugar.

Escolha uma das metas decadais para a observação da Terra, a heliofísica, a astronomia ou a ciência planetária, e projete um conceito de missão para realizar essa tarefa usando uma pequena plataforma de satélite - NASA SMEX ou menor.

Invente seu satélite e faça um discurso de cinco minutos que você apresentaria à NASA para pedir financiamento. Limite-se a um satélite com um ou dois (no máximo) instrumentos. Aqui estão alguns links de referência decadal:

  • http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
  • http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
  • http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
  • http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
  • http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
  • http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Um exemplo de um objetivo decadal, da observação da Terra, pode ser:

Mudando os lençóis de gelo e o nível do mar. Haverá um colapso catastrófico das principais camadas de gelo, incluindo as da Groenlândia e da Antártida Ocidental e, em caso afirmativo, com que rapidez isso ocorrerá? Quais serão os padrões de tempo do aumento do nível do mar como resultado?

Um bom argumento pode incluir:

  • Um gráfico de resumo da missão (tipo / comprimento de onda / objetivo / quem / órbita)
  • História de quaisquer missões anteriores que abordaram este
  • Lista de carga de instrumentos desejada: quais tipos de instrumentos e o que cada um deles mede, além de precisar ou não de lentes de foco
  • Intervalo de resolução por detector (espacial, espectral, tempo, brilho)
  • Estimativa de custo, baseada na comparação / analogia com missões semelhantes

Para avaliar um bom argumento, considere se:

  • Seu objetivo e seu satélite são plausíveis.
  • Sua abordagem parece claramente ser a abordagem correta para a tarefa.

Essa é a habilidade das propostas de negócios e acadêmicas, na qual você deve não apenas convencer o público de que você é a pessoa certa para a tarefa, mas também que a tarefa em si vale a pena!

Construir seu próprio picosatélite não é apenas um meio para um fim, mas um objetivo que vale a pena. Mesmo que você nunca o lance, as habilidades e a experiência que você ganha ao criar seu próprio satélite real podem ser uma experiência incrível.

Este artigo é adaptado de Plataformas de Satélite DIY e Instrumentos DIY para Espaço Amador por Sandy Antunes. Esta série, que também inclui Surviving Orbit the DIY Way, é um recurso profundo e fácil de usar para os possíveis construtores de naves espaciais, disponível na Maker Shed em makershed.com. Fique atento ao quarto livro da série Comunicação de dados DIY para naves espaciais amadoras, chegando neste verão.

Ação

Deixar Um Comentário