CubeSats logran enlaces de datos más rápidos con tecnología láser, reduciendo necesidades a bordo

Un nuevo sistema de apuntamiento láser podría ayudar a CubeSats a descargar datos a tasas mucho mayores usando menos recursos a bordo.

El sistema consiste en un pequeño espejo orientable que dirige el láser al receptor en tierra.

El desafío de los CubeSats

En las últimas dos décadas, más de 2.000 CubeSats —satélites miniatura compuestos por múltiplos de unidades cúbicas de 10x10x10 cm— han sido y están planeados para ser lanzados. Un CubeSat individual suele pesar menos de 1,33 kg y usa instrumentos comerciales off-the-shelf para electrónica y estructura.

Los CubeSats reducen coste de despliegue, minimizan riesgo al resto del vehículo de lanzamiento y cargas útiles, y son adecuados para lanzamientos múltiples. Han revolucionado la tecnología satelital al ser más asequibles de desarrollar y lanzar que naves espaciales convencionales pesadas.

Sin embargo, en los últimos años, estos satélites miniatura han luchado para transferir eficientemente grandes volúmenes de datos a la Tierra. Su tamaño y limitaciones de energía son las dos razones principales.

A medida que componentes más intensivos en datos y complejos se incorporan a satélites miniatura —por ejemplo, imagers hiperespectrales y radiómetros multibanda— la demanda de descarga puede aumentar rápidamente hasta volverse casi imposible usar comunicaciones de radiofrecuencia convencionales.

Actualmente, los satélites usan ondas de radio para transmitir datos a estaciones terrenas. Casi todos los satélites principales tienen bandas de radio de alta frecuencia asignadas para enviar rápidamente grandes volúmenes de datos a grandes antenas terrestres. Pueden acomodar equipos mayores necesarios para transmisión de alta tasa.

Los CubeSats, en cambio, son relativamente pequeños y tienen acceso limitado a bandas de radio de alta frecuencia. Tampoco pueden acomodar transmisores consumidores de energía adecuados para enlaces de descarga de alta tasa.

La solución: Sistema de apuntamiento láser

Investigadores del MIT idearon un sistema de apuntamiento láser —casi del tamaño de un cubo de Rubik— para estos satélites miniatura que les permite descargar datos a tasas mucho mayores usando menos recursos a bordo.

Permitirá a un CubeSat pasando sobre una estación terrena transmitir terabytes de datos en cada pasada. Si este sistema se emplea en múltiples CubeSats en órbita, pueden ofrecer cobertura global y en tiempo real.

Referencia: Optical Engineering | doi:10.1117/1.OE.58.4.041605 | MIT

Aunque el láser puede transportar muchos más datos, los sistemas de comunicación basados en láser presentan un desafío excepcional. Dado que los haces láser son muy estrechos, deben dirigirse precisamente a receptores terrestres, lo cual no es tan fácil como suena.

La nueva plataforma de apuntamiento láser minimizaría el tiempo y energía requeridos para una descarga, logrando tasas de transmisión más altas. Consiste en un pequeño espejo micro-electro-mecánico (MEMS) orientable que enfrenta un haz láser y está alineado para que el láser rebote en el espejo hacia el espacio y a una antena terrestre.

Un haz adicional

Estos espejos tienen ventajas —por ejemplo, la posición del espejo puede corregirse aunque el satélite completo se desalinee ligeramente— pero no proporcionan retroalimentación sobre dónde dirigen el haz láser.

Nueva Plataforma de Apuntamiento Láser | Crédito: MIT

Para lidiar con esto, los investigadores incorporaron una longitud de onda láser adicional en su sistema. Ajusta automáticamente la posición del espejo para dirigir el láser al receptor terrestre.

El sistema añade un haz de calibración de distinta longitud de onda (color) al haz de datos. Ahora hay dos haces que reflejan en el espejo: el segundo pasa por un elemento óptico llamado divisor de haz dicroico, que desvía el haz de calibración (en longitud de onda particular, el color adicional) lejos del haz de datos.

Mientras el láser se mueve hacia la antena terrestre, el haz desviado apunta de vuelta a una cámara a bordo. La cámara también recibe el haz proveniente de la antena terrestre.

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El sistema entonces compara ambos haces y si ambos aterrizan en el mismo punto del sensor de la cámara, el espejo MEMS está perfectamente alineado. De lo contrario, un algoritmo personalizado inclina el espejo a su posición correcta.