Tras 457 días de operación, el nanosatélite SUCHAI 1, el primero construido en el país y desarrollado por estudiantes y académicos de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la U. de Chile, concluyó su misión, demostrando la factibilidad de realizar ciencia espacial a bajo costo y permitiendo utilizar los resultados de sus experimentos en el desarrollo de los nuevos nanosatélites SUCHAI II y III.

El cubesat de 1000 cm3 (o 10cm x 10cm x 10cm) envió datos desde la órbita terrestre entre junio de 2017 y octubre de 2018, y si bien hoy sigue orbitando el planeta, los investigadores del Laboratorio de Exploración Espacial y Planetaria (LEEP) de la FCFM, ya recopilaron datos suficientes para analizar esta primera experiencia. SUCHAI 1 se convirtió en uno de los pocos nanosatélites en permanecer más de un año en el espacio, una hazaña que menos del 5% de estos instrumentos ha logrado. En ese periodo recorrió cerca de 338.791.514 kilómetros y dio 7.838 vueltas alrededor de la Tierra.

“El principal aprendizaje que alcanzamos fue demostrar que podemos desarrollar tecnología para estudios en y desde el espacio en Chile, y que este tipo de tecnología es factible con los presupuestos que tenemos en el país y, por ende, que podemos acelerar los procesos de innovación espacial”, dice el académico Marcos Díaz, líder del proyecto. “Con sensores y una plataforma de muy bajo costo pudimos reproducir experimentos de alta relevancia científica. Y aunque esto uno podría intuirlo, no muchos toman los riesgos de experimentar con instrumentos o sistemas de bajo costo que irán al espacio. Esto abre la puerta al estudio multipunto -con un número de sensores sin precedentes- del ambiente espacial”, agrega.

En esta misión SUCHAI 1 hizo principalmente estudios de física espacial, además de pruebas técnicas con estructuras, componentes electrónicos, materiales y software de vuelo.

Entre sus logros está el haber demostrado que con un nanosatélite es posible obtener datos similares a los que se obtienen con satélites de mayor envergadura y sofisticación que estudian la Anomalía del Atlántico Sur. En esta región del planeta el campo magnético de la Tierra es más débil y, por lo tanto, el flujo de partículas de alta energía enviadas desde el Sol alcanza alturas u órbitas más bajas, lo que puede afectar el funcionamiento de satélites en esa zona.

La anomalía cubre un área muy basta de Sudamérica y el Atlántico, llegando a extenderse hasta la costa de Sudáfrica. El máximo actual está en los alrededores de Uruguay y Argentina. “La mayoría de los satélites de física espacial utiliza la anomalía para probar que sus sensores operan correctamente. Nuestro sensor detectó la anomalía, lo que indica que nuestra tecnología es funcional y podemos reutilizarla, con mejoras, en las futuras misiones para monitorearla bajo un concepto multipunto. Monitorear la anomalía es importante porque los cinturones de radiación (capas de partículas atrapadas en nuestro campo magnético) cambian su forma y geometría dependiendo de la dinámica del campo magnético y la actividad del Sol. El lugar donde se ubica el máximo de detección de partículas ha ido cambiando y en 50 años se proyecta que llegará a Chile”, dice el académico.

La permanencia de SUCHAI 1 en el espacio permitió determinar que el ambiente en la órbita terrestre, a 505 kilómetros de altura, no es tan hostil como los investigadores suponían. “Antes de tener el SUCHAI 1 la información que teníamos era que las temperaturas eran muy extremas en el espacio, pero vimos que dentro del satélite los máximos llegaban a 20 grados Celcius y los mínimos están en cerca de 7 grados. Aunque el vacío impone fuertes complicaciones para disipar el calor que puede genera un componente”, dice. La información respecto al comportamiento térmico es crítica para el diseño de los nuevos satélites y es una de las variables que deberán tomarse en cuenta para rediseñar experimentos, como el de electrónica fuera del equilibrio, que en este caso había sido diseñado para un ambiente más hostil.

Entre otros resultados se realizaron avances en varios algoritmos para estudiar el estado de salud de la batería en tiempo real, lo que permitiría predecir y optimizar los ciclos de operación/producción de satélites. También se puso a prueba el software de vuelo, fundamental para garantizar que funcione bien el sistema como un todo.

Se evaluó una cámara fotográfica de baja calidad en pixeles como parte del sistema de determinación de la orientación del satélite, sumado al uso de un sensor giroscopio. El uso de esta cámara así como los algoritmos de orientación son la base de sistemas de orientación más sofisticados que serán implementados en las siguientes misiones. Los nuevos sistemas se basarán en fotografías la posición de las estrellas (startracker).

En la actualidad, el equipo de investigadores detrás del SUCHAI 1 continúa trabajando para sacar la mayor cantidad de resultados con los datos recogidos de cada experimento para aplicarlos en los próximos SUCHAI II y III, y eventualmente en nuevos nanosatélites, de ser aprobada la propuesta de Programa Espacial que ha liderado la Universidad de Chile y que es apoyada por la Comisión Desafíos del Futuro Ciencia, Tecnología e Innovación del Senado.

“Hemos podido contribuir a la ciencia espacial a un costo razonable para el país, mostrando que estos avances no son solo de interés para Chile, sino que también para la región y el mundo”, concluye Díaz.

Próxima frontera: Programa Espacial para Chile

Este proyecto universitario, que ha crecido con fondos concursables Conicyt y se ha realizado en asociación con otras universidades, despertó el interés de la Comisión Desafíos del Futuro del Senado, que convocó a la FCFM a presentar un Programa Espacial para Chile, a mediados de 2018, al que luego se unieron 12 universidades nacionales y la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN).

El pasado 27 de diciembre, el senador Guido Girardi entregó al Presidente Sebastián Piñera esta propuesta de política espacial y satelital para Chile, que plantea la inversión para desarrollar una constelación de 9 a 12 nanosatélites en los próximos tres años, con el objetivo de monitorear y entregar información relativa a contaminación lumínica e incendios forestales entre otros posibles estudios.

Resumen de resultados

Baterías: Uno de los elementos que suelen fallar en este tipo de experimentos son las baterías, por lo que es necesario analizar cómo se degradan. Con los resultados recogidos, el equipo del académico Marcos Orchard, del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la FCFM, ha desarrollado varios algoritmos para estudiar el estado de salud de la batería en tiempo real, lo que es complejo cuando el satélite está en funcionamiento. Estos avances permitirán predecir y optimizar los ciclos de producción de satélites (cuándo comenzar el reemplazo del vehículo en tierra).

Contador de partículas: Uno de los experimentos que llevó SUCHAI-1 era una sonda de Lagmuir, para medir la densidad de electrones del plasma ionosférico en la alta atmósfera de la Tierra. Este sensor también contaba con un contador de partículas. Con este instrumento fue posible monitorear la Anomalía del Atlántico Sur, demostrando que es posible hacerlo con un satélite de bajo costo. El procesamiento y análisis de los datos, cuenta con la colaboración de académicos de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile y del Departamento de Física de la Universidad de Santiago de Chile.

Modelamiento térmico: Se descubrió que el ambiente a 505 kilómetros de la Tierra no es tan hostil como se especulaba. Se observó que la variación de temperatura adentro del SUCHAI 1 era entre 7 y 20 grados, información crítica para el diseño de satélites. Sin embargo, la disipación de calor es aun un tema a considerar. De hecho, las pruebas de aumento de temperatura cercanas a la vecindad del procesador del SUCHAI-1, fue la que finalmente terminó por dañar el procesador central del sistema.

Electrónica fuera del equilibrio: Este experimento quiso observar cómo la electrónica cambia sus propiedades intrínsecas termodinámicas estando en un ambiente considerado hostil, distinto al que tenemos en Tierra. Se descubrió que la forma en que se midió el experimento no es 100% apropiada, luego de verificar que el ambiente no era tan hostil como se pensaba. En adelante, será necesario sofisticar el sistema para monitorear la electrónica y generar señales con mayor precisión para lograr ver los cambios que se desea provocar. Este trabajo se realizó en colaboración con el académico del Departamento de Física Claudio Falcón.

Software de vuelo: Se puso a prueba en tiempo real el software que debía garantizar el buen funcionamiento de todos los elementos y proyectos que contiene el satélite. Se diseñó una arquitectura de software flexible y reutilizable, con poderosas herramientas de visualización del programa que permiten minimizar las posibilidades de error, desarrolladas en colaboración con el académico del DCC Alexandre Bergel. El software de vuelo, así como las herramientas de visualización están actualmente siendo utilizados en las siguientes misiones.

Sistemas mecánicos: En la construcción del satélite, hubo varias piezas que fueron elaboradas por el equipo usando técnicas de fabricación digital. El prototipado se realizó con impresoras 3D en materiales en PLA y ABS, que agilizaron los desarrollos y las pruebas preliminares. Sin embargo los sistemas mecánicos fueron finalmente construidos con impresión 3D pero en materiales aptos para el espacio. Finalmente el material que se usó en el SUCHAI-1 fue el windform. Este trabajo se realizo en colaboración con el académico del Departamento de Ingeniería Mecánica Juan Cristóbal Zagal.

Desarrollo y manejo de estación terrena: Se logró un gran conocimiento en comunicaciones desde y hacia Tierra, tanto en banda UHF (437 MHz), como en banda S(2,4GHz). Esto se observó tanto en receptores de radio aficionados, como en radios definidas por software. La estación terrena del SUCHAI-1 está ubicada en la azotea del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile.

Evaluación de componentes y sistemas: Es parte del proceso de una expedición espacial probar los componentes y sistemas. El proyecto no sólo permitió aprender a evaluarlos, sino que hoy ha invertido en equipamiento para pruebas de termovacío y cuenta con la colaboración del Departamento de Ingeniería Mecánica para pruebas de vibración en sus laboratorios. Al inicio del proyecto se debió viajar a Brasil para estas pruebas, que hoy se pueden realizar en Chile, en la FCFM. Está área cuenta con el apoyo de los académicos Viviana Meruane, de Ingeniería Mecánica, y Marcos Flores, de Física.

Cámara fotográfica: Se observó que sistemas ópticos comerciales funcionan sin mayores degradaciones, al menos por 1 año, en el espacio exterior. Habiendo utilizado una de baja calidad en pixeles (pues no constituía un proyecto de recolección de imágenes de la Tierra) se pudo determinar que es una tecnología que permite apoyar la determinación de la orientación del satélite y obtener imágenes de experimentos.

Determinación de orientación del satélite:  Gracias a un sensor giroscopio (mide velocidad de giro en 3 ejes), sumado a la información que brindaban las imágenes de la cámara fotográfica, se pudo determinar la orientación del satélite durante cada órbita. También se desarrollaron algoritmos de orientación que se esperan mejorar con los siguientes SUCHAI.