Uma das características definidoras da era moderna da exploração espacial é a natureza aberta dela. No passado, o espaço era uma fronteira acessível apenas a duas agências espaciais federais - a NASA e o programa espacial soviético. Mas, graças ao surgimento de novas tecnologias e medidas de redução de custos, o setor privado agora é capaz de fornecer seus próprios serviços de lançamento.
Além disso, instituições acadêmicas e pequenos países agora são capazes de construir seus próprios satélites com o objetivo de realizar pesquisas atmosféricas, fazer observações da Terra e testar novas tecnologias espaciais. É o que é conhecido como CubeSat, um satélite em miniatura que permite pesquisas espaciais econômicas.
Estrutura e Design:
Também conhecidos como nanossatélites, o CubeSats é construído com dimensões padrão de 10 x 10 x 11 cm (1 U) e tem o formato de cubos (daí o nome). Eles são escaláveis, disponíveis em versões que medem 1U, 2Us, 3Us ou 6Us em um lado e normalmente pesam menos de 1,33 kg (3 lbs) por U. CubSats de 3Us ou mais são os maiores, sendo compostos por três unidades empilhadas longitudinalmente com um cilindro envolvendo todos eles.
Nos últimos anos, foram propostas plataformas CubeSat maiores, que incluem um modelo de 12U (20 x 20 x 30 cm ou 24 x 24 x 36 cm), que estenderia os recursos do CubeSats além da pesquisa acadêmica e do teste de novas tecnologias, incorporando ciência mais complexa e objetivos de defesa nacional.
O principal motivo para miniaturizar satélites é reduzir o custo de implantação e porque eles podem ser implantados com excesso de capacidade de um veículo de lançamento. Isso reduz os riscos associados a missões nas quais cargas adicionais precisam ser carregadas para o lançador e também permitem mudanças de carga em curto prazo.
Eles também podem ser fabricados usando componentes eletrônicos comerciais prontos para uso (COTS), o que os torna comparativamente fáceis de criar. Como as missões CubeSats são frequentemente feitas em órbitas muito baixas da terra (LEO) e experimentam a reentrada atmosférica após apenas alguns dias ou semanas, a radiação pode ser amplamente ignorada e os eletrônicos padrão de consumo podem ser usados.
O CubeSats é construído a partir de quatro tipos específicos de liga de alumínio para garantir que eles tenham o mesmo coeficiente de expansão térmica que o veículo de lançamento. Os satélites também são revestidos com uma camada protetora de óxido ao longo de qualquer superfície que entre em contato com o veículo de lançamento para impedir que eles sejam soldados a frio no local por estresse extremo.
Componentes:
O CubeSats geralmente carrega vários computadores de bordo para realizar pesquisas, além de fornecer controle de atitude, propulsores e comunicações. Normalmente, outros computadores de bordo são incluídos para garantir que o computador principal não fique sobrecarregado por vários fluxos de dados, mas todos os outros computadores de bordo devem ser capazes de interagir com ele.
Normalmente, um computador principal é responsável por delegar tarefas a outros computadores - como controle de atitude, cálculos para manobras orbitais e tarefas de agendamento. Ainda assim, o computador principal pode ser usado para tarefas relacionadas à carga, como processamento de imagem, análise de dados e compactação de dados.
Os componentes miniaturizados fornecem controle de atitude, geralmente composto de rodas de reação, magnetorquers, propulsores, rastreadores de estrelas, sensores do Sol e da Terra, sensores de taxa angular e receptores e antenas de GPS. Muitos desses sistemas são frequentemente usados em conjunto para compensar deficiências e fornecer níveis de redundância.
Os sensores sol e estrela são usados para fornecer apontamentos direcionais, enquanto a detecção da Terra e seu horizonte é essencial para a realização de estudos atmosféricos e da Terra. Os sensores Sun também são úteis para garantir que o CubsSat possa maximizar seu acesso à energia solar, que é o principal meio de alimentar um CubeSat - onde os painéis solares são incorporados ao revestimento externo dos satélites.
Enquanto isso, a propulsão pode ocorrer de várias formas, todas envolvendo propulsores miniaturizados, fornecendo pequenas quantidades de impulso específico. Os satélites também estão sujeitos ao aquecimento radiativo do Sol, da Terra e da luz solar refletida, sem mencionar o calor gerado por seus componentes.
Como tal, os CubeSat também vêm com camadas de isolamento e aquecedores para garantir que seus componentes não excedam suas faixas de temperatura e que o excesso de calor possa ser dissipado. Os sensores de temperatura são frequentemente incluídos para monitorar aumentos ou quedas perigosos de temperatura.
Para comunicações, os CubeSat podem contar com antenas que funcionam nas bandas VHF, UHF ou L-, S-, C- e X. Isso se limita principalmente a 2W de energia devido ao pequeno tamanho e capacidade limitada do CubeSat. Eles podem ser antenas helicoidais, dipolo ou monopolar, embora modelos mais sofisticados estejam sendo desenvolvidos.
Propulsão:
O CubeSats conta com muitos métodos diferentes de propulsão, o que, por sua vez, levou a avanços em muitas tecnologias. Os métodos mais comuns incluem gás frio, propulsão química, elétrica e velas solares. Um propulsor a gás frio depende de gás inerte (como nitrogênio), que é armazenado em um tanque e liberado através de um bico para gerar empuxo.
Conforme os métodos de propulsão, é o sistema mais simples e útil que um CubeSat pode usar. Também é um dos mais seguros, já que a maioria dos gases frios não é volátil nem corrosivo. No entanto, eles têm desempenho limitado e não podem realizar manobras de alto impulso. Por isso, eles geralmente são usados em sistemas de controle de atitude, e não como propulsores principais.
Os sistemas de propulsão química dependem de reações químicas para produzir gás de alta pressão e alta temperatura, que é então direcionado através de um bico para criar empuxo. Eles podem ser líquidos, sólidos ou híbridos e geralmente se resumem à combinação de produtos químicos combinados com catalisadores ou oxidantes. Esses propulsores são simples (e, portanto, podem ser facilmente miniaturizados), possuem baixos requisitos de energia e são muito confiáveis.
A propulsão elétrica depende da energia elétrica para acelerar as partículas carregadas a altas velocidades - aka. Propulsores de efeito Hall, propulsores de íons, propulsores de plasma pulsado, etc. Este método é benéfico, pois combina alto impulso específico com alta eficiência, e os componentes podem ser facilmente miniaturizados. Uma desvantagem é que eles requerem energia adicional, o que significa células solares maiores, baterias maiores e sistemas de energia mais complexos.
As velas solares também são usadas como um método de propulsão, o que é benéfico porque não requer propulsor. As velas solares também podem ser dimensionadas para as próprias dimensões do CubSat, e a pequena massa do satélite resulta em maior aceleração para uma determinada área de vela solar.
No entanto, as velas solares ainda precisam ser muito grandes em comparação com o satélite, o que torna a complexidade mecânica uma fonte adicional de falha potencial. No momento, poucos CubeSats empregaram uma vela solar, mas continua sendo uma área de potencial desenvolvimento, pois é o único método que não precisa de propulsor ou envolve materiais perigosos.
Como os propulsores são miniaturizados, eles criam vários desafios e limitações técnicas. Por exemplo, a vetorização de empuxo (ou seja, cardan) é impossível com propulsores menores. Como tal, a vetorização deve ser alcançada usando vários bicos para empurrar assimetricamente ou usando componentes acionados para alterar o centro de massa em relação à geometria do CubeSat.
História:
A partir de 1999, a California Polytechnic State University e a Stanford University desenvolveram as especificações CubeSat para ajudar as universidades de todo o mundo a realizar ciência e exploração espacial. O termo "CubeSat" foi cunhado para indicar nano-satélites que aderem aos padrões descritos nas especificações de projeto do CubeSat.
Estes foram apresentados pelo professor de engenharia aeroespacial Jordi Puig-Suari e Bob Twiggs, do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica da Universidade de Stanford. Desde então, tornou-se uma parceria internacional de mais de 40 institutos que estão desenvolvendo nanossatélites contendo cargas científicas.
Inicialmente, apesar de seu pequeno tamanho, as instituições acadêmicas eram limitadas porque eram forçadas a esperar, às vezes anos, por uma oportunidade de lançamento. Isso foi remediado em certa medida pelo desenvolvimento do Poly-Pico Satellite Orbital Deployer (também conhecido como P-POD), pela California Polytechnic. Os P-PODs são montados em um veículo de lançamento e transportam o CubeSats em órbita e os implantam quando o sinal apropriado é recebido do veículo de lançamento.
O objetivo disso, de acordo com JordiPuig-Suari, era "reduzir o tempo de desenvolvimento de satélites para o período da carreira de um estudante universitário e aproveitar as oportunidades de lançamento com um grande número de satélites". Em resumo, os P-PODs garantem que muitos CubeSats possam ser lançados a qualquer momento.
Várias empresas criaram o CubeSats, incluindo a Boeing, grande fabricante de satélites. No entanto, a maioria do desenvolvimento vem da academia, com um registro misto de CubeSats orbitados com sucesso e missões fracassadas. Desde a sua criação, o CubeSats tem sido usado para inúmeras aplicações.
Por exemplo, eles foram usados para implantar Sistemas de Identificação Automática (AIS) para monitorar embarcações marítimas, implantar sensores remotos da Terra, para testar a viabilidade a longo prazo das amarras espaciais, além de conduzir experimentos biológicos e radiológicos.
Na comunidade acadêmica e científica, esses resultados são compartilhados e os recursos são disponibilizados através da comunicação direta com outros desenvolvedores e da participação nos workshops do CubeSat. Além disso, o programa CubeSat beneficia empresas e governos privados, fornecendo uma maneira barata de transportar cargas úteis no espaço.
Em 2010, a NASA criou a "CubeSat Launch Initiative", que visa fornecer serviços de lançamento para instituições educacionais e organizações sem fins lucrativos, para que eles possam colocar seus CubeSats no espaço. Em 2015, a NASA iniciou seu Cube Quest Challenge como parte de seus Programas de Desafios do Centenário.
Com uma bolsa de premiação de US $ 5 milhões, essa competição de incentivos visava promover a criação de pequenos satélites capazes de operar além da baixa órbita terrestre - especificamente na órbita lunar ou no espaço profundo. No final da competição, até três equipes serão selecionadas para lançar seu design CubeSat a bordo da missão SLS-EM1 em 2018.
A missão de pouso InSight da NASA (com lançamento previsto para 2018) também incluirá dois CubeSats. Eles realizarão um sobrevôo de Marte e fornecerão comunicações adicionais de retransmissão à Terra durante a entrada e o pouso do sonda.
Designado Mars Cube One (MarCO), este CubeSat experimental de tamanho 6U será a primeira missão no espaço profundo a contar com a tecnologia CubeSat. Ele usará uma antena de banda X de alto ganho e painel plano para transmitir dados ao Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) da NASA - que depois os retransmitirá para a Terra.
Tornar os sistemas espaciais menores e mais acessíveis é uma das características da era da exploração espacial renovada. Essa também é uma das principais razões pelas quais o setor NewSpace vem crescendo aos trancos e barrancos nos últimos anos. E com maiores níveis de participação, estamos vendo maiores retornos quando se trata de pesquisa, desenvolvimento e exploração.
Escrevemos muitos artigos sobre o CubeSat for Space Magazine. Aqui está a Planetary Society para lançar três velas solares separadas, o primeiro CubeSats interplanetário a ser lançado no InSight Mars Lander da NASA em 2016, fazendo com que o CubeSats faça astronomia, o que você pode fazer com um Cubesat?
Se você quiser obter mais informações sobre o CubeSat, consulte a página inicial oficial do CubeSat.
Gravamos um episódio do Astronomy Cast sobre o ônibus espacial. Ouça aqui, episódio 127: O ônibus espacial dos EUA.
Fontes:
- NASA - CubeSats
- Wikipedia - CubeSat
- CubeSat - Sobre nós
- CubeSatkit
