El dossier

La nova frontera

La revolució dels nanosatèl·lits ha fet de l’òrbita terrestre l’escenari de noves investigacions i d’una indústria creixent. Visitem el NanoSat Lab de la UPC, dotat amb instruments que permeten recrear les condicions que hi ha a l’espai

PACIÈNCIA
Enlairar un nanosatèl·lit no és una qüestió de setmanes o mesos, sinó d’anys. S’ha de fer molta recerca i moltes comprovacions
SOBREVIURE EN UN ENTORN HOSTIL
Els equips que van a l’espai pateixen molt, han de ser molt robustos

El 3 de setembre del 2020 va ser una data important per al NanoSat Lab, el laboratori de càrregues útils i petits satèl·lits dirigit per l’enginyer, professor i investigador Adriano Camps. Aquell dia es van llançar a l’espai el ³Cat-5/A i el ³Cat-5/B, dos aparells de la mida d’una caixa de sabates que contenien l’esforç i la feina de molta gent. Aquests dos nanosatèl·lits van ser posats en òrbita per l’Agència Europea de l’Espai (ESA) en el marc de la missió FSSCat. El seu objectiu, recollir informació per crear mapes d’humitat del sòl, d’extensió i gruix del gel marí, i de salinitat a l’Àrtic.

Les dades es van captar com estava previst i els mapes es van fer públics aquest estiu. “La missió FSSCat representa la culminació de molts anys de feina”, explica el professor Camps des del laboratori, que pertany a l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB) de la UPC.

un laboratori envejable

Són unes instal·lacions amb instruments realment impressionants, difícils de trobar en altres universitats, no només de l’Estat, sinó també de la resta d’Europa. I són també el resultat de la perseverança de Camps, que va començar a treballar en sistemes per mesurar la salinitat del mar el 1992 i que el 2007 va plantejar el projecte del primer nanosatèl·lit català. “Llavors encara no ens feia cas ningú. Van haver de passar uns quants anys, fins al 2011-2012, perquè aquest sector, que ara s’anomena NewSpace, comencés a despertar interès”, hi afegeix. La idea de NewSpace implica la democratització de l’espai: més facilitats per accedir-hi gràcies a l’enlairament de satèl·lits de mida reduïda que es poden dissenyar i fabricar en missions a una escala molt menor que les que tradicionalment duen a terme agències com ara la NASA i l’ESA. A Catalunya, tots els mitjans de comunicació es van fer ressò del llançament al març de l’Enxaneta, el primer nanosatèl·lit finançat per la Generalitat, però el cert és que quan aquest artefacte es va enlairar ja se n’havien posat en òrbita quatre d’anteriors dissenyats a Catalunya en les diferents missions dels equips dirigits per Camps. Cal molta feina per dissenyar els aparells i també per assegurar-se que funcionaran.

PROVES I MÉS PROVES

Que la missió d’un nanosatèl·lit tingui èxit depèn, primer de tot, del fet que l’aparell sobrevisqui al seu llançament. Per això al NanoSat Lab hi ha les instal·lacions necessàries per recrear aquestes condicions. “Els equips que van a l’espai pateixen molt, han de ser molt robustos. El llançament d’un coet pot induir entre 14 i 20 vegades la força de la gravetat. A més, no és una acceleració lineal, sinó una forta vibració aleatòria. Per testar que els instruments suportaran aquest nivell de vibració els col·loquem un electroimant enorme”, explica el professor mentre assenyala un cilindre vermell i blanc que sembla una mena de boia però que en realitat pesa més de 600 quilos.

“Si el posséssim a plena potència gastaria 10 kilowatts, és a dir l’equivalent de dues cases completament endollades. És un electroimant semblant al que hi ha en els auriculars, però molt més potent. El soroll que fa és tan fort que necessitem un silenciador”, hi afegeix.

Per fer-nos-en una idea, aquest aparell recrea el que serien les sacsejades que veiem a les pel·lícules quan els astronautes s’enlairen i queden clavats als seu seients. Ara bé, un astronauta suportaria com a molt sis vegades la força de la gravetat, i això es duplica i triplica en el cas dels nanosatèl·lits. “Amb aquestes forces d’acceleració, a nosaltres se’ns desenganxaria la carn dels ossos”, indica Camps. Per això, quan es tracta de sistemes soldats s’han de fer proves –moltíssimes– per garantir que en el moment de l’enlairament no salti cap component.

Els nanosatèl·lits són petits, es construeixen a partir d’un model estàndard anomenat cubesat que fa 10x10x10 centímetres. Però per arribar a l’espai s’han de desplegar en coets grans i que funcionen per etapes (és a dir, en diferents parts) que es van separant a mesura que es guanya altura. Això s’aconsegueix amb explosions de material pirotècnic. Per tant, els nanosatèl·lits també s’han de testar per garantir que superaran aquests xocs.

sala blanca

“També es controla el tema de la ressonància, l’equivalent al que li passaria a un cotxe que a molta velocitat trontolla. La màquina que es fa servir per fer aquestes comprovacions pesa dues tones”, indica el professor Camps. L’habitació on es troben tots aquests instruments és una sala blanca, on només es pot accedir amb vestit de protecció per assegurar que no hi quedi cap mena de residu (ni tan sols un cabell) que pugui afectar després el funcionament dels aparells.

La pulcritud és justificada i s’ha de vigilar molt, perquè qualsevol element que no estigui controlat comporta un risc. Per exemple, una peça mòbil no es pot greixar per facilitar el moviment: quan entrés al buit, aquell greix es vaporitzaria. D’una banda no faria la seva funció lubricant i d’una altra banda segurament aniria a parar al pitjor lloc possible. La llei de Murphy també funciona a l’espai i el més probable és que el greix acabés on fes més mal, com a les lents d’un telescopi, entelant-lo i tirant per terra la missió.

Quan visitem el laboratori, a la sala blanca hi està treballant un dels estudiants de l’equip, que comprova les antenes del ³Cat-4, el nanosatèl·lit d’observació terrestre que s’havia d’enlairar el 2019 dins del programa Fly your satellite, de l’ESA Academy, però que per culpa de diversos retards estarà en òrbita, si tot va bé, l’any vinent.

Després d’haver acabat el grau en enginyeria de sistemes aeroespacials, Albert Morea continua estudiant un màster a la UPC, i poder treballar al NanoSat Lab és una oportunitat que no va deixar passar. “En aquests projectes, cadascú de nosaltres és especialista en algun subsistema, però al final tots sabem fer una mica de tot. I aquest és precisament l’objectiu d’estar aquí, veure una mica com funciona tot plegat per després decidir cap a on va la teva carrera professional”, explica.

“Els projectes espacials –hi afegeix– sempre m’havien cridat l’atenció, però ho veia molt llunyà. Aquí, a Catalunya, no hi ha gaire indústria aeroespacial, però afortunadament m’han donat l’oportunitat de treballar en aquesta missió, i saber que d’aquí a uns mesos hi haurà un objecte en òrbita que jo hauré ajudat a fer possible és molt gratificant.” La contrapartida són moltes hores de dedicació, no ho nega. “Però, això, ja ho sabia i estic més que content de poder-ho fer”, insisteix.

recrear l’espai

L’altre aparell que completa la sala blanca del laboratori és una cambra metàl·lica on es poden simular les condicions de l’espai i comprovar com reaccionen els sistemes als canvis de la pressió atmosfèrica i als canvis de temperatura. La pressió estàndard a la superfície terrestre és d’uns 1.000 mil·libars, però un cop fora de l’atmosfera és inexistent, i això també pot provocar danys.

Per entendre-ho millor, ens podem imaginar l’experiment de l’ampolla d’aigua de plàstic en un avió. Veurem que a mesura que es guanya altura l’ampolla s’eixampla perquè hi ha menys pressió (tot i que els canvis són mínims perquè els avions estan pressuritzats). En canvi, si ens bevem el contingut de l’ampolla metre l’avió vola, un cop torni a terra veurem que l’ampolla ha quedat aixafada cap endins, perquè la pressió ha augmentat, com si una mà invisible l’estrenyés.

En el cas dels nanosatèl·lits, s’ha de comprovar molt bé que no quedi cap rastre d’aire entre els circuits, perquè amb el canvi de pressió aquest aire s’expandiria i provocaria problemes. “Te n’has d’assegurar molt bé abans del llançament i l’única manera és provar-ho. Per això tenim la màquina que és capaç de generar buit, per aconseguir una pressió gairebé nul·la. També s’ha de comprovar que l’aparell aguantarà tot el cicle de temperatura, ja que passarà d’estar exposat al sol a quedar completament a l’ombra”, indica Camps.

Per refredar, el laboratori disposa d’una ampolla de nitrogen líquid que es va injectant a les parets de la cambra fins arribar a 196 graus centígrads sota zero. “Això és molt fred, tot i que en realitat el cosmos encara és més fred. Es podria rebaixar més la temperatura injectant heli en lloc de nitrogen, però resulta molt més car, i al final si les simulacions quadren amb les mesures ja sabrem que funcionarà”, indica. Pel que fa a la situació inversa, unes làmpades d’infrarojos aconsegueixen fer pujar la temperatura al mateix nivell que patiran els nanosatèl·lits fora de l’atmosfera quan els toqui el sol. “Els rostim”, bromeja el director del NanoSat Lab.

Les proves s’han de repetir moltes vegades i el procés pot ser frustrant fins que s’aconsegueixen els resultats desitjats. “Al final saps que ho acabaràs aconseguint, però tenint clar que enllestir tots aquests projectes no és una qüestió de setmanes, sinó d’anys. I també hem de tenir en compte que no anem a cegues, quan fem les proves és perquè estem raonablement segurs que tot funcionarà”, remarca.

el camp magnètic

També és imprescindible per poder testar els nanosatèl·lits un aparell de forma rodona que s’assembla a les estructures metàl·liques que hi havia als parcs infantils. És més petit (no arriba al metre i mig de diàmetre) i està format per tres parells de cèrcols per on passen fils de coure. Controlant el corrent elèctric que passa per aquestes sis bobines es pot crear un camp magnètic constant en qualsevol direcció. Al centre de l’estructura, enmig de tots els cèrcols, hi ha una superfície que expulsa aire a pressió, de manera que l’aparell que s’hagi de testar, col·locat a sobre, queda literalment flotant i es pot recrear, en una mena de gravetat zero, el camp magnètic que es trobaran en cada moment de la seva òrbita.

El compressor del sistema de bobines de Helmholtz, que és com s’anomena aquest instrument, va quedar danyat durant el confinament, probablement per falta d’ús –“Vam treballar a distància, no podíem fer experiments”, recorda Camps–, però ja s’ha pogut reparar. Les bobines també s’utilitzen per al control d’actitud dels nanosatèl·lits: és a dir, per saber què cal fer per orientar-los i que mirin allà on cal en cada moment. També es pot simular com li tocarà el sol: s’ha de tenir en compte que no totes les seves cares estaran il·luminades de la mateixa manera, i algunes estaran directament a l’ombra. Per això en cada una hi ha un petit sensor solar, que permet saber com està orientat l’aparell amb relació al Sol.

Arribats a aquest punt, un cop superat l’enlairament i havent comprovat que tot funciona, és el moment de començar a recollir les dades, la raó de ser de tots els esforços previs. Aquí entra en escena el control terrestre que hi ha a l’Observatori Astronòmic del Montsec, a Sant Esteve de la Sarga (Pallars Jussà), operat per l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya. És allà, en un cel considerat com a Reserva Starlight per la seva poca contaminació lumínica, on les antenes del NanoSat Lab de la UPC envien comandaments als nanosatèl·lits i al mateix temps reben les dades que aquests aporten. En concret, entre l’equipament hi ha una estació terrestre de freqüència ultraalta (UHF) i freqüència molt alta (VHF) que s’utilitza per enviar comandes als satèl·lits, i una estació terrestre de banda S que recull les dades científiques que envien aquests aparells des de l’espai. Precisament, el 23 de març, l’equip del NanoSat Lab va ser el primer a rebre el senyal de l’Enxaneta quan aquest nanosatèl·lit feia una baixada de dades al seu pas per l’arxipèlag noruec de Svalbard.

“La meva idea –avança Camps– és que els satèl·lits no hagin d’estar recollint informació constantment. El coll d’ampolla d’aquest tipus de sistemes és la potència i la baixada de les dades. Crec que en el futur decidirem les dades que necessitem i seran només aquestes les que baixarem. Els sensors de terra parlaran amb el satèl·lit, li indicaran que hi ha alguna cosa interessant per mesurar i li ordenaran que quan passi per davant faci una adquisició de dades. Allò serà el que es baixarà. I on no hi hagi res interessant no caldrà recollir informació.”

DESENVOLUPAR TECNOLOGIA PRÒPIA

La ubicació actual del laboratori de nanosatèl·lits de la Universitat Politècnica de Catalunya es va inaugurar el 2018 i s’ha convertit en un espai pioner en el desenvolupament d’aquests petits satèl·lits de baix cost i en l’experimentació, la docència i la recerca relacionades amb tecnologies i aplicacions que han de viatjar a l’espai. A la imatge del costat, s’hi pot veure Albert Morea treballant en les antenes que portarà el ³Cat-4. Es distingeix una estructura semblant a un arc on l’antena de 55 cm estarà plegada durant l’enlairament, en una mena de serpentí. Aquest mecanisme concret ha estat comprat. “La meitat dels sistemes són dissenyats i produïts aquí, l’altra meitat són comprats. Els cubesats tenen això de bo, són un sistema estàndard que permet comercialitzar components”, explica Morea. Així es poden concentrar esforços en aspectes concrets. En el cas del NanoSat Lab, l’especialitat és la càrrega útil; és a dir, els instruments per fer els experiments, tant l’antena que es necessita per captar la informació com la placa on es generen els algoritmes per processar tota aquesta informació.

PEDAGOGIA

Pel NanoSat Lab, que es va posar en marxa el 2007 amb el primer projecte de nanosatèl·lit, hi han passat prop de 300 estudiants de l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona i també d’altres centes docents de la UPC, especialment de l’Escola d’Enginyeria de Telecomunicació i Aeroespacial de Castelldefels (EETAC), l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB) i l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT). Tot i les seves petites dimensions, els nanosatèl·lits són un sistema complex que permet aplicar una gran varietat de coneixements. Així, el NanoSat Lab constitueix una plataforma educativa ideal per posar en pràctica aspectes relacionats amb les tecnologies espacials o amb altres camps, que van des de l’astronomia i l’astrodinàmica, la navegació per satèl·lit o l’observació de la Terra fins a les comunicacions òptiques, les antenes i els circuits de radiofreqüència.

”Els estats han de ser sobirans també a l’espai”

Adriano Camps és doctor enginyer en telecomunicacions i professor de la UPC des de fa 29 anys. Explica que sempre s’havia interessat en les comunicacions per ràdio i també en l’espai, i en el desenvolupament de nanosatèl·lits coincideixen les dues coses. Va ser un dels pioners en impulsar aquest tipus de projectes, que ara s’han vist com una oportunitat per a una indústria creixent. “Hi ha empreses, com ara Planet i Spire, que hi estan invertint milers de milions d’euros. Després venen les dades que obtenen a organismes com ara el Departament de Seguretat Nacional dels Estats Units, la NOAA (l’administració nord-americana dels oceans i l’atmosfera) i l’Agència Europea de l’Espai”, explica. Segons la seva opinió, però, no s’hauria de confiar al 100% en la indústria privada. “Seria com pensar que, ja que tenim hospitals privats, no cal que hi hagi hospitals públics. Amb l’estàndard europeu això no s’acaba d’entendre. Als Estats Units, si les dades ja existeixen, simplement les compren. Però què passa si l’empresa que les produeix decideix que ja no les vol vendre?”, es pregunta. Per aquest motiu és partidari que els estats mantinguin també una certa sobirania a l’espai: “La iniciativa privada està molt bé perquè sense ella tot això, aquesta democratització de l’espai, no hauria passat. Però al final, per molt que ens omplim la boca de globalització, tothom acaba mirant pels seus interessos, com ja hem vist amb la pandèmia. No s’ha d’impedir que les empreses privades facin la seva feina, no s’hauria fet, però a la vegada els estats no han de perdre la seva sobirania.”

I és que, amb el canvi climàtic a sobre, la informació que es pugui recollir des de l’espai serà molt valuosa, i també pot tenir un gran interès comercial. Per exemple, les dades del desgel de l’àrtic es poden vendre a companyies que vulguin saber futures rutes comercials pel nord. “No ha d’estar tot en mans de les quatre empreses. Ara bé, també és cert que ha hagut de venir algú de fora per sacsejar les grans agències, com ara la NASA i l’ESA, que finalment ja estan començant a invertir en aquest sector”, conclou.

Identificar-me. Si ja sou usuari subscriptor, us heu d'identificar. Vull ser usuari subscriptor. Per escriure un comentari cal ser usuari subscriptor.
Nota: Per aportar comentaris al web és indispensable ser usuari verificat i acceptar les Normes de Participació.
[X]

Aquest és el primer article gratuït d'aquest mes

Ja ets subscriptor? Fes-te subscriptor per només 12 € l'any (1 €/mes)