Vida y muerte de los satélites LEO (Cubesats)

Todos los satélites en general, y los de radioaficionado en particular, tienen un elevado índice de mortalidad que hace que la mayoría desaparezcan pronto del éter, aunque muchas veces, puesto que algunos permanecen dando vueltas por el espacio, siguen apareciendo en las listas de satélites activos, pues aún no han dejado de girar alrededor de la Tierra, y no serán retirados de la lista de activos hasta que no se acerquen demasiado y se produzca su volatilización o su caída definitiva a la Tierra.

No son demasiado evidentes las causas de esta elevada  mortalidad, aparte de que no son siempre las mismas, por lo que voy a comentarlas más a fondo para ilustrar a mis lectores, con la intención de motivar a alguno de ellos a intentar la escucha de algunos satélites de radioaficionado antes de que sea demasiado tarde y hayan desaparecido del éter, circunstancia que puede darse mañana mismo para alguno de ellos. No dejes para mañana,  lo que puedas hacer hoy, pues puede ser que ya no los encuentres.

Los elementos fundamentales de la vida humana

Podemos encontrar en los satélites un paralelismo total con las causas de fallecimiento de los seres humanos, las cuales por desgracia, todos conocemos muy bien:

Las causas principales de la muerte humana las podemos incluirlas en tres grandes apartados, de los que las dos primeras dan lugar a la extensión del certificado de defunción por parte del médico:

1. El fallo cardiaco cuando se confirma que el corazón ya no late, aunque pueda intentarse la reanimación de su actividad durante un cierto tiempo de esperanza.
2. La muerte cerebral, cuando se confirma que ya no hay actividad cerebral y, además, ha pasado tiempo suficiente sin la menor actividad cardiaca para perder toda esperanza de recuperación cerebral.
3. Un estado intermedio, el estado de coma, en que hay un supuesto cese de la actividad cerebral, aunque el corazón siga latiendo y puede que lo que falle realmente sea la comunicación con el entorno, pero aún no se han perdido las esperanzas de recuperar la actividad cerebral más adelante, pues persisten ciertos indicios de la misma.

 

Desafíos fundamentales de la vida de los satélites

1. La batería es el equivalente al corazón del satélite, pues es la fuente de energía que lo mantiene funcionando mientras se recarga con la energía de los paneles solares que captan la energía solar y la convierten en electricidad que proporciona la recarga. Si falla la batería, se muere el satélite.
2. El fallo del cerebro o de la CPU (Central Processor Unit = Unidad Central de Procesado), es evidente que es equivalente a la falta de actividad cerebral, pues la CPU controla todo el funcionamiento del satélite y administra automáticamente el reparto de la energía almacenada en la batería, basado en la lectura de los sensores incorporados, que normalmente son la temperatura, tensión y corriente en cada una de las placas de circuitos y sistemas del satélite. También administra los cambios de régimen del funcionamiento día/noche (iluminación/oscuridad) que son fundamentales para la supervivencia del satélite.
3. El fallo del transmisor o del receptor es el equivalente al coma humano, pues el satélite se queda sin comunicaciones y el controlador terrestre no puede realizar cambios en su programación ni saber lo que está ocurriendo en el mismo.

Elementos que afectan a la vida del satélite

1. El lanzamiento

Hay que tener en cuenta que el proceso del nacimiento de un satélite, es decir, su lanzamiento para su puesta en órbita, es un proceso enormemente traumático y que da lugar a una gran mortalidad inicial, quizá mayor incluso que la de los seres humanos, tan traumática para la madre y la criatura.

En el proceso de lanzamiento, la explosión del lanzador da lugar a numerosas bajas y, aunque actualmente se prodigan menos los fallos, no dejamos de tener noticias de algún lanzamiento de Cubesats que ha acabado prematuramente destruido, por fallo del cohete lanzador, sin que se llegara a alcanzar la órbita prevista.

Para garantizar que el satélite superará el traumatismo de su lanzamiento,  todos han debido someterse previamente a una comprobación de su resistencia a las vibraciones, para lo cual han de haber pasado por una prueba de vibraciones extremas en una máquina que los somete a las mismas vibraciones del cohete lanzador, mediante la carga del programa de vibraciones de lanzamientos anteriores del cohete.

En el caso de que sea el primer lanzamiento del cohete y no se disponga del registro de vibraciones de un lanzamiento anterior, deberá someterse a las vibraciones de un programa de lanzamiento estándar.

Si supera esta primera prueba, recibirá el certificado de homologación de resistencia a las  vibraciones que le habilita para poder volar.

2. El arranque de la CPU

Igual que el recién nacido nos tiene en suspenso hasta que rompe a llorar, con lo que demuestra que puede comenzar su vida autónoma, el satélite debe arrancar y ponerse a funcionar unos cuantos segundos o minutos después del lanzamiento, pues hasta este momento  debía permanecer con la batería  totalmente desconectada para no interferir las comunicaciones con el cohete lanzador.

El momento crítico de la puesta en órbita es, por tanto, el de la suelta y proyección en la órbita prevista, momento en que se sueltan los muelles que retienen los interruptores que desconectan la batería y la CPU debe ponerse en marcha. Pero en la práctica ocurre que muchos satélites no son escuchados jamás, por lo que se sospecha que falló la ejecución del programa inicial de la CPU o tal vez la batería había perdido su carga totalmente y no consigue ya recuperarla. Debido a los sucesivos aplazamientos del lanzamiento, es posible que ya no disponga de la suficiente tensión para iniciar la actividad de la CPU y la energía recibida de los paneles solares no sea suficiente para conseguir un reset del sistema de arranque. Es una de las causas más frecuentes de mortalidad.

Habitualmente, en la circulares de AMSAT, aparece una llamada de petición de controles a cualquier radioaficionado que haya escuchado un determinado satélite recientemente lanzado, lo cual es prueba inequívoca de que no ha sido escuchado cuando debía y es muy poco probable que haya sobrevivido a la puesta en órbita. Si lees esta petición, no te molestes en intentar oírlo, pues seguro que está muerto.

3. El balance energético: el ciclo día/noche

Es un equilibro muy delicado que debe ser analizado perfectamente en la etapa de diseño, incluso dejando un buen margen de seguridad.

Toda la actividad electrónica del satélite depende de un buen cálculo de su balance de energía con un cierto margen de seguridad, pues hay que tener en cuenta que, para todos los satélites LEO (Low Earth Orbit = satélites de baja altura), el cambio de día a noche se produce en ciertas órbitas cada 90-110  minutos de su período orbital (Figura 1).

Figura 1: Los satélites LEO son siempre de órbita polar

Efectivamente, cuando el plano de la órbita del satélite, que normalmente es una órbita polar (que pasa muy cerca de los polos) se encuentra posicionado más o menos paralelo a la línea Tierra-Sol, el satélite pasa casi un 50% de su tiempo en la oscuridad, por lo que cuando está sin iluminación, debe funcionar basándose solamente en la carga de las baterías, las cuales tienen que mantener en funcionamiento todos los sistemas.

Esto no es nada fácil, pues debemos tener en cuenta que un cubesat (cubo de 10 x 10 x 10 cm) dispone tan solo de 5 (la sexta cara contiene las antenas) paneles diminutos de 10 x 10 cm = 100 cm², una superficie realmente reducida, para captar la energía solar y convertirla en energía eléctrica.

Potencia mínima utilizable: Hemos de tener en cuenta que la máxima potencia que puede utilizar para sus comunicaciones depende de esta energía capturada disponible, de forma que no es de extrañar que se intente por todos los medios reducir la potencia emitida a un mínimo, puesto que un Cubesat no dispone de tamaño suficiente para instalarle antenas directivas (generalmente  son omnidireccionales), ni para desplegar paneles solares como la estación espacial.

De todos modos, os puedo confirmar que, con unas antenas mediocres como las mías (un par de Yagis cruzadas de 10x 10 elementos), se recibe la telemetría del cubesat Funcube  (Figura 2) con tan solo 30 mW de potencia desde 2000 km, en cuanto asoma por el horizonte. Esta es la décima parte de la potencia de una pareja de portátiles de mano PMR que se venden como juguetes  a 30 euros la pareja, pues estos PMR disponen normalmente de 300 mW de potencia de salida.

Figura 2: Satélite Funcube-1

Cuando el Funcube-1 transmite con 300 mW (los días laborables) y pasa por encima nuestro, he conseguido oírlo con un portátil de mano con antena de porra, para que veáis la magnitud de las señales que se propagan en línea recta y directa desde el espacio.

4. El deterioro de los paneles solares

Los paneles solares sufren el impacto de los rayos cósmicos y radiaciones solares, los cuales van destruyendo la superficie captadora útil, con lo que degeneran con el tiempo, de forma que van perdiendo su capacidad de generar energía eléctrica y recargar la batería. De todas formas, hoy en día parece que son de los elementos que más resisten a la radiación.

5. La CPU o Unidad Central de Proceso

La Unidad Central de Proceso sufre también el impacto de los rayos cósmicos y se procura no utilizar chips de alta densidad, sino que se prefiere utilizar CPUs más sencillas con muy poca densidad y muy primitivas, conformándose siempre con prestaciones muy inferiores a las que estamos acostumbrados en tabletas y ordenadores, pues la alta densidad está reñida con el espacio, debido a que la radiación destruye los componentes con mayor facilidad cuanto mayor sea la densidad de los mismos. Para compensar esa fragilidad,  se les tiene que proporcionar algún tipo de blindaje externo, blindaje que incrementa indudablemente el peso.

6. Las memorias RAM y memoria flash

Las posiciones de memoria volátil RAM y las memorias permanentes flash que almacenan los programas básicos de inicialización, también se van deteriorando con el tiempo por el impacto de los rayos cósmicos, lo que obliga generalmente a doblar su capacidad y utilizar bits redundantes en cada posición de memoria, bits que permitan recuperar el contenido original, a pesar del fallo de algunos bits, durante el mayor tiempo posible, a pesar del deterioro.

Todas las posiciones de memoria contienen elementos redundantes que les permiten recuperar la información a pesar de los fallos, pero también deben disponer de un indicador que informe de que la recuperación del contenido ya no ha sido posible. Las posiciones inutilizadas quedan reflejadas en una tabla de posiciones deterioradas, las cuales debe saltarse el procesador, para que el programa continúe funcionando correctamente sobre las memorias que aún funcionan perfectamente.

7. Los cambios de temperatura

El satélite debe resistir los cambios de temperatura extremos que se producen en el espacio, los cambios desde la iluminación a la oscuridad y viceversa, y debe superar en tierra una prueba que demuestre que puede soportar cambios de temperatura entre -40 y + 70 grados antes de poder ser lanzado al espacio.

También la temperatura es crítica para las baterías cuya eficiencia disminuye dramáticamente por debajo de 0º, por lo que debe tener previsto algún sistema de calefacción suplementario para la batería si su temperatura descendiera excesivamente, igual que tenemos que evitar en lo posible que las baterías de nuestros coches sufran los efectos de las heladas cuando se encuentran a la intemperie.

8. El vacío

El satélite también ha debido superar una prueba de resistencia al vacío, pues tenemos que asegurarnos anticipadamente de que ninguna burbuja de aire atrapada en algún componente pueda hacerlo explotar en el vacío absoluto del espacio.

Pruebas de homologación

Por tanto, antes de que sea autorizado su lanzamiento, aparte de que la electrónica funcione perfectamente, lo cual es de cajón, el satélite ha de pasar por las cuatro pruebas de homologación mencionadas: vibración, vacío, resistencia a la radiación y temperaturas extremas, sin cuyos certificados de superación extendidos por un laboratorio reconocido no será autorizado a volar.

¿Qué satélites podemos escuchar?

Teniendo en cuenta el título de este articulo, pues naturalmente los que aún están vivos; pero ahora hablando en serio, para empezar, los más fáciles de escuchar actualmente son los satélites meteorológicos NOAA, que transmiten con considerable potencia desde 800 km de altura y de los que están en funcionamiento en estos mometos los NOAA-15, 18 Y 19 en tres frecuencias distintas de 137 Mhz: NOAA-15 en 137.620; NOAA-18 en 137.915 (Figura 3) y NOAA-19 en 137.100.

Figura 3: Satélite meteorológico NOAA-18

Para decodificar las imágenes meteorológicas que transmite de Europa, es muy fácil instalar y descargar el programa WXtoimg que encontraréis en la web: http://www.wxtoimg.com/downloads/ y cuya instalación es muy sencilla y la decodificación arranca automáticamente.

Me diréis que nuestros equipos de radioaficionado no reciben estas frecuencias, pero yo os animaría a comprar un receptor RTL-2832, de esos que se puede comprar en internet por un precio entre 10 y 20 euros, y utilizar nuestras antenas de 144 para recibirlo, aunque no sean para esta frecuencia.

La señal de los NOAA es suficientemente fuerte para decodificarlo incluso con una vertical de cuarto de onda para 144.  En Internet encontraréis el programa SDR# o SDRSharp (http://sdrsharp.com/#download)  que es muy fácil de utilizar con este receptor (figura 7) y con el receptor Funcube, y también se descarga al mismo tiempo el programa Zadig que permite cambiar el driver que le coloca el Windows al RTL-2832 por defecto y sustituirlo por uno específico, de forma que se consigue que funcione como receptor de radio desde 50 MHz a 2 Ghz.

Figura 4: El satélite Funcube-1 al desnudo

También podemos escuchar todas las mañanas de los días laborables el satélite Funcube-1 que se escucha perfectamente bien con antenas muy sencillas y transmite en 145.935 kHz (Figura 4). Tened en cuenta que los fines de semana emite la telemetría con tan solo 30 mW y dedica toda su potencia restante a las estaciones que operan en SSB y CW en la banda de paso del satélite. Para interpretar la telemetría, podéis descargaros el programa Dashboard de Amsat.UK de la web:  http://funcube.org.uk/working-documents/funcube-telemetry-dashboard/ con el que contemplaréis en directo el estado del satélite y de todos sus componentes, transmitido por la telemetría, lo cual es tremendamente ilustrativo (figura 5).

Figura 5: El programa Dashboard decodifica la telemetría del Funcube-1

Podría hablaros también de las transmisiones de SSTV de la Estación Espacial que transmite algunas veces en 145.800 con 25 W y llega como una bomba y se recibe hasta con un equipo portátil de mano con antena de porra, pero sus transmisiones son muy esporádicas y difíciles de conocer con anticipación suficiente para prepararse. Yo me entero en el último momento, porque estoy suscrito al boletín de noticias de AMSAT que avisa con menos de una semana de anticipación.

¿Cuándo pasan los satélites?

Para averiguarlo, el programa más sencillo de utilizar es el Orbitron, al que pienso dedicar un artículo completo cualquier día de estos y que tiene todos los menús en castellano y catalán. Se puede descargar de la web: http://www.stoff.pl/  (figura 6).

Figura 6: El programa Orbitrón

Tiene la ventaja de que sus parámetros orbitales se actualizan automáticamente al arrancarlo y realiza automáticamente la sincronización del reloj del ordenador, con lo que dispondremos a nuestro alcance de una información completa con gran precisión de los pases de cualquier satélite en el día que queramos o en tiempo real. Además, se puede llegar a conectar perfectamente con el programa SDRSharp o SDR# (Figura 7) para corregir el efecto Doppler en la frecuencia del satélite, programa que podéis descargar de la web:  http://sdrsharp.com/#download.

Figura 7: Programa SDRSharp para receptor RTL-2832 o también el Funcube.

La pretensión de este artículo es interesar en la recepción de los satélites a todos aquellos que consideran que es una actividad demasiado difícil, pero yo creo firmemente que el futuro de las vocaciones de futuros radioaficionados dependen ahora de que logremos interesar a los jóvenes en las comunicaciones espaciales, que no pueden realizarse por ahora con el teléfono móvil. De momento no se puede marcar el teléfono de los astronautas a bordo de la estación espacial. Necesitamos una licencia de radioaficionado nos confiere unos ciertos privilegios. Aprovechémoslo.

73 Luis EA3OG