Tecnología satelital

Sin duda un gran salto en la historia de las comunicaciones se dio cuando el ser humano pudo colocar satélites artificiales fuera de nuestro planeta lográndose que estos retransmitieran a la tierra diferentes señales, principalmente de comunicación: radio, televisión,llamadas telefónicas y hoy datos. Lograr esta tipo de hazaña esta relacionada con la evolución de la tecnología de los cohetes que hicieron posible que un artefacto de estos lograra vencer la fuerza natural de la gravedad y posicionar un satélite. Veremos entonces a continuación un poco de historia de cómo se gestó este tipo de avance, para luego introducirnos en todo lo que hay implicado en la construcción, diseño y puesta en orbita de un satélite.

Un poco de historia

No fue sino hasta 1945, cuando el entonces Secretario de la Sociedad Interplanetaria Británica, Arthur C. Clarke, publicó un artículo -que muchos calificaron como fantasioso- acerca de la posibilidad de transmitir señales de radio y televisión a través de largas distancias (transatlánticas) sin la necesidad de cables coaxiales (en el caso de la televisión o relevadores en el de la radio), proponiendo un satélite artificial ubicado a una altura de 36 mil km, que girara alrededor de la Tierra una vez cada 24 horas, de tal forma que se percibiera como fijo sobre un punto determinado y, por lo tanto, cubriendo en su transmisión una fracción de la superficie terrestre. Este artefacto estaría equipado con instrumentos para recibir y transmitir señales entre él mismo y uno o varios puntos desde tierra; también, añadía que para hacer posible la cobertura de todo el planeta habrían de colocarse tres de estos satélites de manera equidistante a la altura mencionada, en la línea del Ecuador. El artículo presentaba, además, algunos cálculos sobre la energía que se requeriría para que dichos satélites funcionaran, y para ello proponía el aprovechamiento de la energía solar.

Con esos elementos en mente, la Marina de los Estados Unidos de América (E.U), unos años más tarde, utilizó con éxito el satélite natural de la Tierra -la Luna- para establecer comunicación entre dos puntos lejanos en el planeta, transmitiendo señales de radar que dicho cuerpo celeste reflejaba, logrando con ello comunicar a la ciudad de Washington con la Isla de Hawai. Esto comprobó que se podrían utilizar satélites artificiales con los mismos fines, pero salvando la desventaja de depender de la hora del día para obtener las señales reflejadas. Se emprendió, un ambicioso proyecto denominado Echo, el cual consistía en utilizar un enorme globo recubierto de aluminio para que sirviera como espejo y reflejara las señales emitidas desde la Tierra. El artefacto, visible a simple vista, fue el primer satélite artificial de tipo pasivo -por su característica de servir solamente como reflejo y no tener aparatos para retransmisión-; los llamados satélites activos vendrían después, con los avances tecnológicos y las experiencias que poco a poco fueron enriqueciendo el conocimiento en este campo.

En la siguiente década, el Año Geofísico Internacional (1957-1958), marcó el banderazo de salida de una carrera espacial que durante muchos años protagonizaron E.U. y la Unión Soviética, siendo está última la que se llevó la primicia al lanzar al espacio, el 4 de octubre de 1957, el satélite Sputnik I, el cual era una esfera metálica de tan solo 58 cm de diámetro. En diciembre de ese mismo año, E.U. también lanzó su propio satélite, el Vanguard, aunque sin éxito, pues se incendió en el momento de su lanzamiento. (1)

En la mañana del 4 de Octubre de 1957 el mundo recibió una de las noticias mas impactantes del siglo XX: por primera vez en la historia de nuestra civilización se logró enviar un artefacto al espacio exterior. El nombre del aparato enviado era Sputnik I que se convirtió en el primer satélite artificial creado por la humanidad. Lo increíble era que dicho satélite alcanzaba a duras penas el tamaño de un balón de basquetbol y pesaba sólo 183 libras, alcanzando orbitar una elíptica alrededor de nuestro planeta en 98 minutos. El impacto que tuvo el Sputnik sobre el desarrollo tecnológico en el resto del siglo XX /2)

Pocos meses después USA colocó el explorer I su primer satélite de comunicaciones l, y con ello se apuntó un tanto en el mundo de la ciencia al descubrir los cinturones de radiación que rodean a la Tierra, a los que llamaron Van Allen en honor al líder de los científicos responsables de esa misión. Posterior a ese satélite, siguieron sus versiones II, III y IV, de los cuales el Explorer II falló.

El primer experimento en comunicaciones desde el espacio también fue en 1958, cuando un cohete Atlas-B, equipado con un transmisor y un reproductor, emitió hacia la Tierra un mensaje grabado con anterioridad por el presidente Eisenhower. El Atlas-Score permitió demostrar que la voz humana podía propagarse superando la considerable distancia existente entre el planeta y el satélite. El concepto fundamental era sencillo: un repetidor colocado en un lugar suficientemente elevado podría dominar mucha mayor superficie que sus homólogos terrestres. El repetidor, por supuesto, sería colocado en órbita, aunque su limitación principal sería la movilidad del objeto en el espacio.

Posicionamiento de un satélite

Según la distancia a la que se encuentran de la Tierra los científicos clasifican los satélites en GEO, MEO y LEO. GEO es la abreviatura de Órbita Terrestre Geosíncrona, lo que significa, en palabras llanas, que da una vuelta a la Tierra en 24 horas y se encuentran, por tanto, a 35.800 kilómetros de la superficie de la Tierra; las órbitas MEO son aquellas que corresponden a distancias medias (entre 10.000 y 20.000 kilómetros); y las LEO las que corresponden a distancias bajas (menos de 10.000 kilómetros).(2)

Las órbitas ideales en muchos casos serían aquellas en las que los satélites estuvieran siempre sobre el mismo punto de la Tierra. A esas órbitas las llamamos geoestacionarias. En realidad, dichas órbitas sólo pueden darse cuando el satélite se encuentra sobre el ecuador. Si fuera de norte a sur, por ejemplo, estaría medio día sobrevolando el hemisferio norte y el otro medio día el hemisferio sur; y lo que pretendemos es, precisamente, que no cambie de punto sobre la superficie. El giro de la Tierra debería, por tanto, acompañar al giro del satélite. A los satélites que están en una órbita GEO fuera del ecuador se les llama “geosincrónicos”; sólo son geoestacionarios los que están por encima del ecuador. Observad alguna vez las fotos de los satélites meteorológicos y a ver si se os ocurre desde dónde toman esas fotos.

Tipos de órbita
Altura sobre el nivel del mar (3)
Velocidad del satélite
Función del satélite
Ventajas
Órbita baja 250-1 500 km 25 000-28 000 km/hr.
  • Comunicaciones y observación de la Tierra.
Poco retraso en las comunicaciones. Se requiere menor potencia.
Órbita polar 500-800 km sobre el eje polar 26 600-27 300 km/hr.
  • Clima
  • Navegación.
Están perpendiculares sobre la línea del Ecuador, por lo que pueden observar distintas regiones de la Tierra.
Órbita geo-estacionaria 35 786 km sobre el Ecuador 11 000 km/hr.
  • Comunicaciones
  • Clima.
  • Navegación
  • GPS.
Al dar la vuelta a la Tierra a su misma velocidad, siempre observa el mismo territorio
Órbita elíptica Perigeo (cuando está más cerca de la Tierra) 200- 1 000 km Apogeo (cuando está más lejos) ~ 39 000 km ~34 200 km/hr.

~5 400 km/hr.

  • Comunicaciones
Servicios a grandes latitudes.

Cómo se pone en orbita un satelite?

La velocidad mínima a la que un objeto puede escapar a la atracción gravitatoria de un cuerpo en el espacio, la cual depende del tamaño y la masa del astro en cuestión. Un objeto (por ejemplo un cohete) lanzado con una velocidad inferior a a velocidad de escape volverá a caer sobre la superficie. Una velocidad igual a la de escape conseguirá ponerlo en órbita, mientras velocidades superiores lo alejarán del mismo. Para que un objeto pueda escapar de la tierra  su velocidad de escape es de 11,2 kilómetros por segundo.

Los satélites hoy en día se ponen en órbita integrándolos en un cohete o poniéndolo como carga en el Space Shuttle. Varios países y empresas de ámbito internacional, tienen la capacidad de lanzar cohetes y satélites de varias toneladas haciendo que orbiten de forma segura. Para la mayoría de los satélites que se ponen en la órbita, el método del lanzamiento de cohetes es considerado una de las principales vías, ya que consigue atravesar la parte más espesa de la atmósfera más fácilmente y minimiza mejor el gasto de combustible.

Después de que uno de estos dispositivos es lanzado al espacio, el mecanismo de control del cohete usa un sistema de guiado para calcular los ajustes necesarios para que el cohete siga el plan de vuelo. En muchos casos, el plan de vuelo le dice al cohete que se dirija al este, ya que la tierra rota en esta dirección, dándole al lanzamiento un empujón extra. La fuerza de esta ayuda adicional depende de la velocidad rotacional de la tierra en la localización del lanzamiento. Este impulso es más fuerte en el ecuador, donde la distancia alrededor de la tierra es más grande y la rotación más rápida. (5)

¿Cómo de grande es este impulso desde el punto de lanzamiento del ecuador? Haciendo una estimación a grosso modo, podemos determinar la circunferencia de la tierra multiplicando su diámetro por pi, que son 3,14. El diámetro de la tierra  es de aproximadamente 12,753 kilómetros, por lo que si lo multiplicamos por el número pi tendremos una circunferencia de unos 40,000 kilómetros. Para viajar alrededor de la circunferencia  en 24 horas, un punto en la superficie de la tierra tiene que moverse a unos 1700 kilómetros por hora.

Un lanzamiento desde cabo Cañaveral, en Florida, no consigue todo el impulso de la velocidad rotacional de la tierra. El centro espacial Kennedy para lanzamientos, Complex 39-A, el cual es solo uno de sus recursos de lanzamiento, está localizado a 28 grados, 36 minutos en la latitud norte. La velocidad de la rotación de la tierra, es de unos 1400 kilómetros por hora. La diferencia de la superficie de la tierra entre el ecuador y el centro espacial Kennedy, es entonces de unos 230 kilómetros por hora. Hay que tener en cuenta que la tierra es algo oblicua – más ancha por el centro – no siendo una esfera perfecta. Por esa razón, nuestra estimación de la circunferencia de la tierra es algo más pequeña.

Considerando que los cohetes pueden ir a miles de kilómetros por hora, puede que te preguntes porque una diferencia de solo 230 kilómetros importa. La respuesta es que los cohetes, junto al combustible y sus accesorios, son muy pesados. Lleva una gran cantidad de energía acelerar una masa a 230 kph, y por tanto una gran cantidad de combustible. Hacer un lanzamiento desde el ecuador, marca una diferencia real y palpable.

Una vez que el cohete llega a una atmósfera más fina, que es sobre unos 200 kilómetros de la superficie, el sistema de navegación del cohete inicia a su vez otros cohetes más pequeños, con suficiente fuerza para poner el vehículo en una posición horizontal. El satélite es entonces liberado. En este punto, los cohetes se encienden de nuevo para asegurar alguna separación entre el vehículo de lanzamiento y el propio satélite.

Diseño y construcción de un satélite

El diseño de los satélites ha evolucionado desde aquellos años del Sputnik I hasta la actualidad; sin embargo, su razón de ser sigue siendo la misma, así como la de la mayor parte de sus elementos. El paso del tiempo y los logros en las tecnologías han proporcionado instrumentos más precisos, sistemas de provisión de energía eléctrica más potentes y componentes de menor peso, pero todos ellos, en esencia, no han cambiado mucho, hay quienes afirman que la Astronáutica es aún una ciencia demasiado joven.

Los satélites pueden dividirse de manera conveniente en dos elementos principales, la carga útil y la plataforma. La carga útil es la razón de ser del satélite, es aquella parte del satélite que recibe, amplifica y retransmite las señales con información útil; pero para que la carga útil realice su función, la plataforma debe proporcionar ciertos recursos:

  • La carga útil debe estar orientada en la dirección correcta.
  • La carga útil debe ser operable y confiable sobre cierto periodo de tiempo especificado.
  • Los datos y estados de la carga útil y elementos que conforman la plataforma deben ser enviados a la estación terrestre para su análisis y mantenimiento.
  • La órbita del satélite debe ser controlada en sus parámetros.
  • La carga útil debe de mantenerse fija a la plataforma en la cual está montada.
  • Una fuente de energía debe estar disponible, para permitir la realización de las funciones programadas.  (6)

Dependiendo del tipo de satélite, y de qué características especiales tenga cada uno, pero los componentes esenciales de un satélite es:

-Paneles solares u otra fuente de energía alternativa (nuclear, normalmente), pues es obvio que necesita energía.
-Un sistema de maniobras, para orientarse en el espacio, cambiar de órbita, evitar basura espacial, etc. Normalmente se utilizan impulsores o thrusters, como pequeños cohetes en miniatura, que eyectan gases. Por el principio de acción y reacción, esto mueve a la nave (haciéndola rotar o desplazándola) Estos gases suelen ser el producto de una combustión hipergólica (dos sustancias que al contacto explotan) También hay sistemas de maniobras más exóticos, utilizando el magnetismo terrestre, giróscopos…
-Un bus o cuerpo principal del satélite, donde van los tanques de combustible del sistema impulsor, los sistemas electrónicos (el "cerebro" del satélite), los giróscopos si los hay…
-Un sistema de comunicaciones, consistente en varios transpondedores y/o antenas, para enviar y recibir información desde tierra o desde otro satélite.
-Y, por supuesto, el sistema radar. Para una explicación de cómo funciona un radar, puedes buscarlo en wikipedia, que lo explica de manera muy completa. Últimamente se están usando satélites con radares de apertura sintética, o SAR (Synthetic Aperture Radar), que permiten una mayor resolución que otros sistemas. Suelen ir montados en unos grandes mástiles desplegables, donde tienen los receptores y emisores de radiofrecuencias, para abarcar un campo mayor.
La ventaja de estos satélites es que pueden ver a través de las nubes (no reflejan las ondas de radio) y en la oscuridad (no confían en la luz visible para sus observaciones) Su desventaja es que, por la longitud de onda de las ondas de radio, tienen menor resolución teórica que otras cámaras con luz visible o ultravioleta, pero esto se compensa con técnicas de interferometría o utilizando ondas cortas de radio

Actividades:

Ahora que conoces un poco mas acerca de esta tecnologia que hay detras de colocar o construir un satelite, te invito a que realices las siguientes actividades:

1-  Visita la infografia sobre el proyecto Galileo que es la versión europea del GPS Americano y realiza un resumen en tu cuaderno de cómo funciona esta tecnología y para qué nos puede servir.

http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/internet/2006/01/23/148669.php

2. Observa cuidadosamente los videos y responda los siguientes interrogantes (anotalos en tu cuaderno)

– Cómo recibio el mundo la noticia del primer satélite en orbita?

– Cómo respondieron los americanos a este desafío?

– Cómo ha influido esta tecnología en nuestra vida cotidiana?

– Qué tipo de aplicaciones se ofrecen  con los satélites en la agricultura, en la minería, , en el clima, geología, militar y otros campos?

– Qué pasa con  los desechos de satélites que han dejado de funcionar, qué puede pasar con estos objetos?

Haga clic sobre la imagen (Documental completo)

video

Fuentes:

(1) http://www.ciberhabitat.gob.mx/medios/satelites/artificiales/

/2) http://www.historiasdelaciencia.com/?p=418

(3) http://www.inegi.gob.mx/inegi/contenidos/espanol/ciberhabitat/medios/satelites/artificiales/que_es.htm

(4) http://www.cosmopediaonline.com/sputnik.html

(5) http://www.electronica-basica.com/satelite-orbita.html

(6) http://www.inegi.gob.mx/inegi/contenidos/espanol/ciberhabitat/medios/satelites/artificiales/anatomia.htm

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