Utilidad diaria de los satélites: tipos, componentes y aplicaciones, Apuntes de Ciencia de materiales

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María José González Bonilla CENTRO ESPACIAL INTA TORREJÓN INSTITUTO ESPACIAL DE TÉCNICA AEROESPACIAL

LOS SATÉLITES

Y SU UTILIDAD

EN NUESTRO

DÍA A DÍA

Los satélites y su utilidad en nuestro día

a día.

• Los satélites y su utilidad en nuestro día a día................................................................................... Contenido
• Qué es un satélite
• La Era Espacial
• Componentes de una misión satélite
  • Segmento lanzador.
  • Segmento Espacial.
    • MÓDULO DE PROPULSIÓN Y EMPUJE
    • MÓDULO DE POTENCIA.
    • MÓDULO DE NAVEGACIÓN.
    • MÓDULO DE COMUNICACIONES Y DATOS..............................................................................
    • CARGA DE PAGO: INSTRUMENTO PRINCIPAL Y SECUNDARIOS................................................
  • Segmento Terreno.
  • Segmento Usuario.
• Tipos de Misiones: para qué se usan los satélites
  • Satélites de Comunicaciones
  • Satélites Meteorológicos.
  • Satélites de Navegación
    • ¿COMO FUNCIONA LA NAVEGACIÓN POR SATÉLITE?..............................................................
  • Misiones de Observación de la Tierra
  • Misiones Científicas
• El Centro Espacial INTA Torrejón (CEIT) del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
  • La misión PAZ
  • La misión CHEOPS
  • La misión INGENIO
• Temas de reflexión y preguntas abiertas
• Bibliografía

El Sputnik- 1 Muy poco después, el 3 de noviembre de 1957 los soviéticos de nuevo lanzaron un satélite más grande, el Sputnik-2 que llevaba una importante carga a bordo: la perrita Laika. ¿Os imagináis que en este momento se realizara algo así, lanzar una perrita que sabemos que moriría en el espacio? Desde luego lo vemos ahora como una aberración, pero en esos momentos el trato hacia los animales era diferente y primaba el probar como se comportaban los seres vivos en el espacio de cara a iniciar las primeras misiones tripuladas humanas. Los Estados Unidos, que también pugnaban en la carrera espacial lanzaron poco después su primer satélite, el Explorer-1, el 31 de Enero de 1958. El Explorer-1 pesaba 30 libras (13.6 kilos), de las cuales, más de 18 se trataban de instrumentos científicos, que incluían un detector de rayos cósmicos, detectores de temperatura y un micrófono para escuchar a los micro-meteoritos que pudieran alcanzar el satélite.

El lanzamiento en 1957 del Sputnik- 1 supuso el inicio de

la Era Espacial.

El satélite estuvo mandando datos a la Tierra durante 4 meses, cesando sus comunicaciones el 23 de mayo de 1958. Se mantuvo en órbita durante más de una década, reentrando en la atmósfera terrestre el 31 de marzo de 1970. El Explorer-1 es recordado no solo por ser el primer satélite estadouniense, que además demostró la posibilidad de poder hacer ciencia desde el espacio, sino porque gracias a él se descubrieron los Cinturones de Van Allen (en las siguientes misiones Explorer se fueron descubriendo más detalles acerca de la naturaleza de estos Cinturones). Esto fue posible porque una de las cargas de pago científica que llevaba el satélite era un contador Geiger, un aparato diseñado para detectar radiación, diseñado por un equipo de la universidad de Iowa liderado por James Afred Van Allen. Con estos hitos se inició la denominada Era Espacial, que se caracterizó por el muy rápido desarrollo rápido de nuevas tecnologías (como misilería, ciencia de materiales o informática) en la llamada Carrera Espacial, mantenida entre los Estados Unidos y la Unión Soviética. Gran parte de la tecnología desarrollada originalmente para aplicaciones espaciales ha sido aplicada a otras aplicaciones. En la actualidad, el término "Era espacial" todavía tiene connotaciones de novedad e innovación. La Era espacial alcanzó su auge con el programa Apolo, que sirvió de alimento a la imaginación de buena parte de la población mundial. El alunizaje del Apolo XI, que es sin duda uno de los momentos clave del siglo XX y fue un acontecimiento que vieron más de 500 millones de personas a lo largo del globo terráqueo, y está ampliamente reconocido como uno de los momentos clave del siglo XX. Desde entonces, y con el fin de la carrera espacial debido al hundimiento de la Unión Soviética, la atención del público se ha desplazado a otras áreas. Durante la década de 1990, los fondos destinados al ámbito espacial decayeron súbitamente tras la desintegración de la unión Soviética, dado que la NASA no tenía competencia directa. Además, la percepción pública de los peligros y el coste de la exploración espacial en los Estados Unidos se vio gravemente afectada por el accidente del transbordador espacial Challenger de 1986. Sin embargo, en el año 2000 aumentaron exponencialmente el número de lanzamientos de satélite, manteniéndose esa tendencia actualmente. Desde entonces la participación en lanzamientos espaciales ha implicado a más gobiernos y a los intereses comerciales. Desde la década de 1990, el período actual ha recibido el nombre de Era de la

que pase directamente por la Anomalía del Atlántico Sur (SAA) que es la región donde los Cinturones de radiación de Van Allen se encuentran a menor distancia de la superficie terrestre (a unos 200 km) por lo que la intensidad de radiación solar es más elevada que en otras regiones. Esta es una de las razones por la que los astronautas que la habitan hacen estancias no excesivamente prolongadas (en media de unos seis meses). En ese tiempo, sus cuerpos reciben la misma cantidad de radiación que un operario industrial puede recibir en un año de trabajo. En los casos en los que las misiones espaciales han supuesto atravesar los Cinturones, las trayectorias han sido meticulosamente calculadas para pasar por zonas estrechas y de menor flujo, de forma que los tiempo de exposición son pequeños. Los Cinturones de Van Allen y su localización alrededor de la Tierra Además los Cinturones de Van Allen producen un efecto desastroso para los componentes eléctricos. Un satélite situado en una órbita dentro de los Cinturones de Van Allen quedaría completamente destruido. Por ello los componentes que equipan las misiones espaciales suelen llevar una protección anti-radiación para evitar alteraciones debido a las radiaciones cósmicas, pero cuando pasan por los Cinturones es mejor que vayan apagados para no sufrir daños significativos.

Además se debe seleccionar el punto en el que se ubican los satélites para que no ocupen la áreas de más alta radiaciones. Así, la localización de los satélites se divide divididos en tres áreas.

• Satélites Geoestacionarios (GEO), situados a altitudes cercanas a 36.000 Km y se utilizan para transmisión de comunicaciones y análisis meteorológicos. La órbita geoestacionaria es una órbita circular que tiene una inclinación de cero grados, es decir, que orbita en el plano ecuatorial, siguiendo la dirección de rotación de la Tierra. Otra característica de este tipo de órbita es que posiciona los satélites a altitudes cercanas a los 35.790 km, lo que hace que el periodo orbital sea igual al periodo de rotación de la Tierra. De esta forma se consigue que los instrumentos a bordo de estos satélites sean capaces de escanear de manera continua las mismas regiones sobre la superficie terrestre.
• Los Satélites de Órbita Media (MEO) como el GPS se encuentran entre los 10 .000 y los 15.000 Km.
• Y los Satélites de Órbita Baja (LEO) empleados entre otras aplicaciones para telefonía, observación de la Tierra o geología, se sitúan situados entre los 5 00 y los 1.500 Km. Sabías que… El satélite artificial más grande que orbita la Tierra es la Estación Espacial Internacional (ISS – International Space Station). Sabías que… Una sonda espacial es un artefacto aeroespacial muy parecido a un satélite espacial, pero que en lugar de orbitar alrededor de un planeta, viaja por el espacio obteniendo datos y realizando fotografías. Como ejemplo, la sonda Voyager-1, lanzada el 5de septiembre de 1977, es la que más lejos (con respecto a nuestro planeta) ha llegado. Sigue operativa en la actualidad, prosiguiendo su misión extendida de localizar y estudiar los límites del Sistema Solar. ¡En julio de 2020 estaba a 22.290.082.734,3 km del Sol!

Las Leyes de Newton: Principio de funcionamiento de los lanzadores Estas leyes son la base de la ciencia de los lanzadores: entenderlas permite tener todo el conocimiento necesario para construir lanzadores exitosos, pero además se necesita saber aplicarlas:

• ¿Cómo se puede crear el empuje necesario para exceder el peso del cohete?
• ¿Qué combinación de materiales estructurales y propulsores se debe usar?
• ¿Cuál debe ser el tamaño del cohete?
• ¿Cómo hacer que el cohete vaya a donde se desea?
• ¿Cómo puede traerse el cohete de vuelta a la Tierra sin peligro? Los cohetes lanzadores se clasifican de manera general en sólidos o líquidos. Producen el empuje mediante la combustión de productos propulsores fuera del motor. Estos propulsores son simplemente una combinación de combustible y oxidante. El oxidante para los propulsores sólidos es un elemento químico que contiene oxígeno y para los líquidos es generalmente oxígeno puro enfriado a 183º C para condensarlo en oxígeno líquido.

Los lanzadores actuales son de dos etapas, cada una de ellas proporciona propulsión de manera consecutiva para poder alcanzar la velocidad orbital requerida (los hay también de tres etapas y podría haber de una única etapa). En el momento del despegue, la primera etapa es la responsable de acelerar el vehículo. La segunda etapa se separa de la primera y continúa el impulso hasta la órbita empleando su propia potencia. De este modo se consigue que la mayor parte de la masa seca del vehículo se despegue y no sea llevada a la órbita, lo que reduce el coste implicado en alcanzar la velocidad orbital puesto que la estructura y la masa del motor es eyectada. En la actualidad, empresas como la americana Space-X están trabajando en lanzadores con etapas reutilizables, como es el caso del Falcon-9 (que lanzó el satélite español de observación de la Tierra radar llamado PAZ) por lo que cuando se realiza la separación de las etapas éstas, que están equipadas con una especie de paracaidas, son recuperadas, con lo que se reduce el coste de los lanzamientos. La cofia (Fairing) es el espacio en el que se ubican los satélites, en función de sus tamaños, una cofia puede albergar desde unos pocos a decenas de satélites que serán puestos en órbita en un único lanzamiento.

MÓDULO DE PROPULSIÓN Y EMPUJE El sistema de propulsión que lleva un satélite está determinado por la posición orbital que necesita alcanzar y por el tipo de misión. El lanzador dejará ubicado al satélite en una órbita superior o de escape, pero además el satélite puede llevar su propio módulo de propulsion para realizar un ajuste fino de órbita (en caso por ejemplo de que el lanzador no le haya dejado exactamente en la posición esperada) o porque en función de la mision, puede ser necesario que el satélite realice maniobras de mantenimiento de órbita (por ejemplo el satélite PAZ se tiene que mantener siempre dentro de un tubo de 250 metros de diámetro). La mayoría de los satélites cuentan con sistemas de propulsión de hidracina y ruedas de inercia para controlar tanto la órbita como la actitud del satélite. MÓDULO DE POTENCIA. El satélite tiene que generar y distribuir la cantidad adecuada de potencia para que puedan funcionar todos sus instrumentos y módulos o subsistemas. El método más empleado para ello es mediante paneles solares, que convierten la luz solar en electricidad. El satélite se diseña para que sus paneles solares estén orientados siempre al Sol. Cuando la plataforma está en eclipse debido al paso de un objeto celeste o porque se gira el satélite para una operación de emergencia, se ha de emplear la energía almacenada en las baterías. Puesto que las diferentes unidades que componen el satélite pueden requerir diferentes voltajes, puede ser necesario convertir y estabilizar el voltaje “bruto” producido por el panel solar antes de ser distribuido a las diferentes unidades o bien la conversión se realiza dentro de dichas unidades. MÓDULO DE NAVEGACIÓN. El sistema de navegación, denominado Control de Órbita y Actitud, es esencial para que el satélite pueda mantener su actitud, esto es, su orientación deseada. Esta capacidad es requerida para mantener los paneles solares apuntados hacia el Sol y los instrumentos apuntando a sus blancos específicos. El control de actitud se consigue mediante el uso de sensores de Sol y de estrellas, que tienen mapeados la posición con alta precisión de estos astros, por lo que detectándoles y mediante triangulación, se puede calcular la posición y orientación de la plataforma espacial. Con ello, se requiere un sistema de propulsión y/o volante de inercia controlado por el software correspondiente que asegura que el satélite es movido o orientado

correctamente. En general, los cálculos de las maniobras son realizados en tierra, en el Segmento Terreno y transmitidos los comandos correspondientes al satélite. MÓDULO DE COMUNICACIONES Y DATOS. El sistema de comunicaciones y manejo de datos se encarga de recibir los telecomandos desde tierra y de transmitir a tierra los datos de telemetría, tanto de la que contiene los datos de los instrumentos, como los de salud del satélite (esto es, la denominada telemetría de HouseKeeping que son una serie de parámetros que monitorizan el estado del satélite para el control en tierra, como son sensores de temperatura, de posicionamiento y actitud, de niveles de baterías y propulsión, de estado de paneles solares, etc.). Incluye por tanto procesadores, sistema de memoria a bordo y conversores analógico/digital y digital/analógico. Los comandos recibidos de tierra son almacenados y procesados. Pueden ser comandos de tiempo real, que tienen que se ejecutados en el momento en el que se reciben o time- tagged, esto es, que el propio comando incluye información del tiempo en el que se debe ejecutar. Con respecto a los datos que se mandan a tierra, éstos también son procesados y encapsulados adecuadamente, incluyendo según el caso encriptación (para que una antena que no sea propia que esté escuchando en tierra no sea capaz de entender la información transmitida) y técnicas de corrección de errores, para que en caso de perderse paquetes de información en la transmisión satélite-Tierra, los datos perdidos puedan ser regenerados. En general, es típico que las comunicaciones se realicen a diferentes frecuencias, por ejemplo, en satélite de Observación de la Tierra, los telecomandos y telemetría de salud se transmiten en Banda-S (la frecuencia de la señal está en el rango 2 - 4 GHz) y la telemetría de las imágenes obtenidas, se transmiten al Segmento Terreno en Banda-X (de 8 a 12 GHz). CARGA DE PAGO: INSTRUMENTO PRINCIPAL Y SECUNDARIOS. La denominada carga de pago constituye el instrumento que permite la funcionalidad principal del satélite y la misión, que puede asimismo incorporar otros elementos secundarios. Existen por tanto tantos tipos de instrumentos como tipos de misiones. Éstos los exploraremos más en el apartado TIPOS DE MISIONES: PARA QUÉ SE USAN LOS SATÉLITES.

Segmento Usuario

El Segmento Usuario está formado por nosotros, los consumidores finales de los datos que son proporcionados por los satélites. En algunos casos el usuario será un iniciador de la actividad del satélite, como puede ser el solicitar a una misión de Observación de la Tierra el obtener una imagen de una zona específica (por ejemplo Madrid) en un momento específico (por ejemplo cada primero de mes). En otros casos el usuario es el receptor del servicio. Este es el caso de los satélites de navegación, nosotros recibimos los datos de los satélites en nuestros móviles sin necesidad de solicitarlos.

Tipos de Misiones: para qué se usan los

satélites

Ahora conocemos más acerca de los satélites, como se ponen en órbita y que componentes forman las misiones. Pero, ¿por qué son importantes los satélites? ¿Cuál es su utilidad y su aplicación en las actividades que realizamos a diario? Esta sección presenta una clasificación de los tipos más significativos de misiones satélite y sus aplicaciones.

Satélites de Comunicaciones

Los satélites de Comunicaciones son el pilar de la industria espacial. Han experimentado un enorme crecimiento en la primera década del siglo XXI, de forma que actualmente hay más de 300 satélites de comunicaciones en la órbita geoestacionaria. De manera general los Satélites de Comunicaciones permiten generar un canal de enlace que conecta varios puntos en la Tierra. Es decir, podemos conectar por ejemplo por teléfono dos puntos de la Tierra ubicados en lugares remotos sin necesidad de que existan cables. Los primeros satélites de comunicaciones fueron lanzados a principios de los años 60 del siglo pasado. En estos inicios sus prestaciones eran muy limitadas, por lo que el tamaño de las antenas de las estaciones terrenas tenía que ser muy grande, con antenas de más de 20 metros de diámetro para poder establecer el enlace tierra-satélite. Su uso inicial

estaba limitado a la telefonía de larga distancia y al transporte de señal de televisión entre estudios. En la década de 1990, ya dos de cada tres llamadas de teléfono intercontinental se transmitían a través de satélites. En la actualidad, tanto la mejora en el desarrollo de componentes, que permiten más potencia, como el uso de frecuencias más elevadas, que reduce el tamaño de las antenas de tierra, ha permitido el uso generalizado de las comunicaciones por satélite. En el inicio del siglo XXI, más de 100 millones de casas en Europa recibían en sus casas la señal de televisión a través de satélite, bien mediante recepción directa o a través de sistemas de distribución por cable. Los satélites de comunicaciones funcionan como un relé, esto es, reciben una señal desde tierra y la retransmiten a otra antena en tierra, por lo que permiten por lo tanto comunicar puntos en la Tierra que están separados. Es por ello que los satélites de comunicaciones realizan funciones que en principio las ejercían antenas en tierra, pero salvando las problemáticas que existen de poner antenas en puntos de orografía complicada (por ejemplo zonas montañosas en las que la ‘sombra’ de las montañas dificulta que se retransmitan las señales electromagnéticas) o de difícil acceso (por ejemplo, ¿cómo podemos tener internet o televisión o teléfono cuando se está en alta mar o en mitad de un desierto?) Existen fundamentalmente tres tipos de servicios de comunicación que este tipo de satélites pueden proporcionar: telecomunicaciones, radiodifusión o broadcasting y comunicaciones de datos.

• Satélites para servicio de Comunicación Móvil. Para dar servicio a usuarios cuya localización cambia constantemente (barcos, plataformas marinas, aviones, automóviles). Los equipos de comunicación terrestres tienes antenas capaces de mantener el contacto con el satélite (tracking o seguimiento de forma que la antena se mueve para estar siempre orientada al satélite) Servicio proporcionado por satélites GEO y LEO.
• Satélites para servicio de Radiodifusión, Comunicación Fija y Banda Ancha. Proporcionan servicio de transmisión y recepción de Televisión, de telefonía, de radio y de datos. Estos servicios son prestados por satélites Geoestacionarios. o La televisión por satélite es uno de los principales usos de los satélites de comunicaciones. Permite una cobertura global y con independencia

Los satélites de comunicaciones también contribuyen a una amplia variedad de requisitos institucionales como son el soporte en situaciones de emergencia donde las comunicaciones terrestres pueden estar cortadas, o el apoyo al desarrollo en regiones menos favorecidas. Sabías que… España cuenta con los satélites de comunicaciones en órbita Geoestacionaria Xtar- Eur (lanzado en 2005 ) y SpainSat (lanzado en 2006), que dan servicio de Comunicaciones Seguras a ministerios y organizaciones gubernamentales, como son: Ministerio de Defensa, Ministerio de Asuntos Exteriores, Ministerio del Interior y Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Son ejemplo de comunicaciones seguras las comunicaciones de acción exterior del estado. Existe de esto modo una comunicación segura vía satélite entre el Ministerio de Asuntos Exteriores y más de 25 embajadas y sedes consulares de España en países estratégicos. También se prestan servicios de comunicaciones seguras en proyectos del Ministerio del Interior para vigilancia de fronteras, como es el caso del proyecto “Blue Sahel” enfocado a la lucha contra la inmigración irregular, el tráfico de drogas y el terrorismo. Además, se han prestado servicios a la UME (Unidad Militar de Emergencias), en casos de emergencia y desastres naturales y a otros organismos como el CNI (Centro Nacional de Inteligencia), la Guardia Civil y el CSIC, en el ámbito de actividades de investigación científica como el buque de Investigación Oceanográfica (BIO) Hespérides de la Armada española. Además, la empresa HISPASAT es la operadora española de satélites de comunicaciones, líder en la distribución de contenidos en español y portugués. Y que proporciona servicios audiovisuales (televisión y radio vía satélite en hogar) y de datos (acceso a internet, voz IP, videoconferencia y telefonía).

Satélites Meteorológicos.

La meteorología es la ciencia interdisciplinaria, de la física de la atmósfera, que estudia el estado del tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos producidos y las leyes que lo rigen. Uno de los aspectos más importante en la meteorología son las observaciones, que

permiten conocer los datos del estado actual, así como ser empleadas en modelos numéricos para conocer las predicciones del tiempo. Las observaciones pueden realizarse in situ, mediante estaciones meteorológicas más o menos complejas o de manera remota (mediante teledetección), bien mediante teledetección terrestre mediante redes de detección de las descargas eléctricas de rayos y de radares terrestres que permiten estimar la estructura de la precipitación y del viento radar y teledetección vía satélite. Los satélites meteorológicos por su posición, permiten de manera privilegiada observar la situación meteorológica en el conjunto del planeta. Sin embargo, hay que tener en cuenta que lo que miden es la radiación que llega al sensor. Estas medidas, teniendo en cuenta el tipo de sensor y el rango de frecuencias de la radiación medida, pueden transformarse en variables meteorológicas como son la temperatura, viento, precipitación, etc. y realizar un estudio y estimación de las mismas. Los primeros satélites meteorológicos fueron posicionados en las órbitas terrestres bajas (LEO). Sin embargo, en la primera serie de satélites meteorológicos experimentales lanzados por la NASA (los TIROS) se apreciaron las ventajas de la órbita polar, con una inclinación muy cercana a los 90º, por lo que los satélites pasan muy cerca de los polos y proporcionan muy buena cobertura de los mismos. Además, también hay satélites meteorológicos en órbita geoestacionaria, que son mucho más conocidos. En Europa, los satélites que “observan” nuestras longitudes geográficas son los conocidos satélites Meteosat Aunque la meteorología para nosotros a veces se ve reducida a ver en el telediario o consultar en la aplicación del móvil la previsión del tiempo para seleccionar qué ropa ponernos mañana, el uso operativo de los satélites meteorológicos es muy amplio, abarcando, entre otros:

• Bandas en el visible. Instrumentos que detectan albedos: radiación emitida por el sol y reflejada por la superficie terrestre o los topes nubosos. Se ven poco o nada afectadas por las absorciones de los gases presentes en la atmósfera. La información se representa en tonos de gris, siendo las zonas con mayor albedo las que se ven más claras. El inconveniente es que no disponen de información en ausencia de radiación solar. La banda del visible más utilizada es la HRVIS o visible de alta resolución. Permite detectar: a estructura de los topes nubosos, a detección y seguimiento de nieblas durante el día, clasificar los distintos tipos de nubes, detección de calimas y nubes de humo.