PROTOTIPO DE PLATAFORMA 6U+A PARA UN NANOSATÉLITE PARA OBSERVACIONES INFRARROJAS DE EXOPLANETAS
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NOTA: LOS REQUISITOS TÉCNICOS MENCIONADOS EN ESTA NOTA PÚBLICA SON
ORIENTATIVOS.
NO LIMITAN EN MODO ALGUNO LA POSIBILIDAD DE QUE CUALQUIER OPERADOR
ECONÓMICO INTERESADO, REALICE LAS PROPUESTAS RELACIONADAS QUE ESTIME
CONVENIENTE EN EL PROCEDIMIENTO DE COMPRA PÚBLICA INNOVADORA CONVOCADA
POR EL CDTI: https://www.cdti.es/index.asp?MP=4&MS=0&MN=1&TR=C&IDR=2766
PROTOTIPO DE PLATAFORMA 6U+A PARA UN NANOSATÉLITE PARA
OBSERVACIONES INFRARROJAS DE EXOPLANETAS
1. Introducción
Los Observatorios de Canarias (OOCC, una de las ICTS españolas) disponen de una batería de
telescopios e instrumentos dedicados a la detección y caracterización de planetas extrasolares.
Por citar algunos de ellos, HARPS-N en TNG y Warwick-1m, en el ORM, o MuSCAT2 en TCS y
SPECULOOS, en el OT, son instalaciones de primer nivel cuyo cometido principal está
íntimamente relacionado con los exoplanetas.
Un punto fundamental a la hora de determinar la existencia y posibles propiedades de un
exoplaneta es a través de la curva de luz de la estrella alrededor de la cual orbitan. La variación
de la luminosidad de dicha estrella debido a la presencia de uno (o varios) planetas implica
observaciones continuadas y con gran precisión, tanto en visible como en IR cercano. Los
telescopios situados en los OOCC están preparados para obtener dichas curvas de luz con la
precisión que requieren estas observaciones, pero solamente, como es evidente, en periodos
nocturnos, lo que limita considerablemente el número de detecciones posibles y la
caracterización de los planetas ya detectados.
2. Solución propuesta
Un complemento de alto valor a las instalaciones en los OOCC para la detección y caracterización
de exoplanetas viene dado por una constelación de nanosatélites observando en IR en órbitas
bajas (LEO, Low Earth Orbit) los mismos objetivos que los telescopios terrestres. Un satélite de
dicha constelación realiza una órbita en 90 minutos, lo cual permite observar la misma región
del cielo entre 10 y 15 minutos de cada 90, tiempo suficiente para cubrir con garantías los
tránsitos de planetas, que duran varias horas. De igual manera, con 10-15 minutos de
observación en IR de un exoplaneta ya detectado se puede obtener información esencial sobre
la composición de la atmósfera del mismo.
La existencia de 5 o 6 nanosatélites de idénticas características permitiría observaciones no
realizadas hasta el momento en este campo. Además de la, hasta ahora poco frecuente, sinergia
tierra-espacio, se pueden contemplar distintos modos de observación, con la constelación
entera observando al mismo campo para cubrir todo el rango temporal de un tránsito u observar
cada uno a un objetivo diferente para confirmar o caracterizar las observaciones llevadas a cabo
con telescopios terrestres de los OOCC. Esta combinación tierra-espacio ofrece gran potencial,
no solo para este proyecto científico. Otros casos de interés, para futuras misiones adaptando
el instrumento empleado, son dinámica de binarias de baja masa, sistemas estelares masivos
binarios/múltiples, cúmulos globulares, binarias rayos-X baja masa, discos proto-planetarios
alrededor de estrellas jóvenes, imagen de alto contraste, estudios de lentes gravitatorias,
relación entre el agujero negro y el bulbo en galaxias que albergan cuásares, regiones de
formación estelar a alto redshift o estudios de SN en galaxias del grupo local.NOTA: LOS REQUISITOS TÉCNICOS MENCIONADOS EN ESTA NOTA PÚBLICA SON
ORIENTATIVOS.
NO LIMITAN EN MODO ALGUNO LA POSIBILIDAD DE QUE CUALQUIER OPERADOR
ECONÓMICO INTERESADO, REALICE LAS PROPUESTAS RELACIONADAS QUE ESTIME
CONVENIENTE EN EL PROCEDIMIENTO DE COMPRA PÚBLICA INNOVADORA CONVOCADA
POR EL CDTI: https://www.cdti.es/index.asp?MP=4&MS=0&MN=1&TR=C&IDR=2766
3. Situación actual
El sector del NewSpace, representado por los pequeños satélites, supone una nueva forma de
contemplar la industria del espacio. La combinación de componentes comerciales (COTS), la
miniaturización y la aceleración de los procesos de desarrollo están permitiendo desarrollar y
poner en órbita pequeños satélites por una fracción del coste (hasta un 0.1% y menos) de los
tradicionales. Este cambio de paradigma está facilitando el acceso a distintos actores al espacio,
permitiéndoles desarrollar infraestructuras propias.
El proyecto IACTec-Espacio tiene como objetivo principal el desarrollo de cargas útiles para
pequeños satélites, haciendo uso de la experiencia tecnológica adquirida en el IAC en los últimos
40 años. Con el fin de posicionar a IACTec-Espacio en el mundo de aquellas instituciones o
empresas que han lanzado y operado con éxito un pequeño satélite, se está en proceso de
diseño y fabricación de un instrumento para el primer nanosatélite lanzado desde Canarias.
Dicho instrumento, DRAGO, consiste en un objetivo de 30mm más un detector de 640x512
píxeles acoplado operando en SWIR, junto con la electrónica y software adecuados para la toma,
reducción y análisis in situ de las imágenes. DRAGO observará simultáneamente en dos filtros
SWIR (1.14 y 1.6 micras) con el fin de obtener más y mejor información, tanto de manera directa
como comparando las imágenes en ambas bandas.
DRAGO ha pasado recientemente la PDR (Preliminary Design Review), y se espera pasar la CDR
en los próximos meses, para luego llevar a cabo su integración y pruebas a final de 2019,
principio de 2020. A partir de este momento, estará listo para su integración en una plataforma
y posterior lanzamiento. Debido al diseño de DRAGO, ha de embarcarse en un nanosatélite de
tamaño 3U+ (30x10x10 cm). Dado que DRAGO se ha desarrollado siguiendo todos los estándares
fijados por la Agencia Espacial Europea, su integración dentro de una plataforma debe ser
relativamente sencilla.
Diseño de DRAGO: bafle, objetivo SWIR, carcasa y unidad de control.NOTA: LOS REQUISITOS TÉCNICOS MENCIONADOS EN ESTA NOTA PÚBLICA SON
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DRAGO será el primer instrumento SWIR lanzado en un nanosatélite.
El IAC está interesado en detectar exoplanetas alrededor de estrellas frías, campo en el que se
dispone de una experiencia acumulada de varios años. La detección de estos objetos se realiza
de manera mucho más eficiente en infrarrojo que en visible, debido a la temperatura de los
mismos. Dentro del IR, el instrumento más sencillo que puede diseñarse es el que contempla el
rango entre 0.9 y 1.7 micras, dado que los detectores existentes no necesitan refrigeración
externa, lo que los hace más fáciles de manejar. Detectores que observen más allá de 1.7 micras
requerirían unos sistemas que un nanosatélite difícilmente podría acoplar. Por suerte, en el
rango 0.9-1.7 micras se encuentran algunas de las bandas (como J o H, entre otras) que ofrecen
información adecuada para la detección y caracterización de exoplanetas alrededor de estrellas
frías.
4. Características técnicas
DRAGO, como todo instrumento en el espacio, ha de ir integrado en una plataforma adecuada
que le proporcione potencia, apuntado, soporte, comunicación con el segmento terreno, etc. En
comparación con un proyecto para observación de la Tierra, una plataforma que quiera usarse
para la detección de exoplanetas requiere una serie de características especiales. Dichas
capacidades no se cubren totalmente con las plataformas existentes en el mercado, al menos
en el caso de pequeños satélites:
• Alta precisión de apuntado de unos 20 segundos de arco.
• Posibilidad de seguimiento de precisión de los objetos apuntados para la generación de
curvas de luz con desplazamientos de menos de 1 píxel en 1 minuto. Éste sería el punto
fundamental de desarrollo y donde estriba la mayor dificultad del proyecto, dada la alta
velocidad a la que se mueven los satélites. El objetivo es el de maximizar el nivel de señal en
la obtención de la curva de luz, así como permitir la posibilidad de estudiar estrellas en
campos más poblados.
• Presencia de algún dispositivo de reapuntado de bajo consumo, como puede ser
propulsores eléctricos.
• Alta capacidad de almacenamiento de datos y posibilidad de reducción, procesado y análisis
de los mismos in situ.
• Módulo de comunicaciones con un ancho de banda suficiente para la descarga de todas las
imágenes adquiridas en tiempo real (banda X o superior, preferiblemente banda Ka).
• Capacidad de apuntado de antena sin requerir la reorientación del satélite, de manera que
no se pierda el apuntado hacia el objetivo observado.
• Alta estabilidad térmica para no influir en los resultados obtenidos, debido a los mínimos
efectos que se quiere detectar.
• Posibilidad de programación de observaciones diferentes a lo largo de distintas órbitas.
• Maniobrabilidad eficiente en apuntado.
• Sistemas de generación y distribución de potencia eléctrica que alimenten los exigentes
procesos de apuntado y seguimiento.NOTA: LOS REQUISITOS TÉCNICOS MENCIONADOS EN ESTA NOTA PÚBLICA SON
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En la actualidad no existen plataformas 6U+ con dichas características en el mercado, por lo que
el proyecto planteado no se podría realizar. Desde el punto de vista tecnológico, es inviable
conseguir todo lo que se plantea anteriormente en un satélite convencional 6U. La demanda de
potencia y de espacio de los subsistemas requeridos para conseguir una precisión de apuntado
y un seguimiento tan preciso no es factible actualmente. Sin embargo, sí que existen empresas
(tanto en España como a nivel europeo) cuya hoja de ruta pasa por el desarrollo de plataformas
6U+ de estas capacidades, aunque todavía están en TRL de bajo nivel. Un proyecto de estas
características es perfecto para hacer evolucionar estas plataformas de manera adecuada como
para que cumplan con los requerimientos establecidos y puedan constituir un nuevo estándar,
6U Advanced: 6UA. El instrumento DRAGO, originalmente diseñado para integrarse en un
nanosatélite 3U+, puede integrarse igualmente en un 6UA, dejando 5 unidades para la
plataforma, que en un proyecto de este estilo es lo más relevante y demandante.
En lo que respecta al instrumento DRAGO, se propone un diseño de óptica que permita que cada
estrella caiga en un único píxel, lo que redunda en que un desplazamiento del apuntado inferior
a un píxel no afecte a las observaciones. Se tomarán imágenes con exposiciones de 1 segundo
(con el fin de llegar a una magnitud J ∼ 6) durante los 600 – 900 segundos de cada órbita que
podrá observarse un campo determinado. La focal del instrumento será baja, lo que dará un
campo de visión muy amplio, lo que permitirá disponer de estrellas estándares en cada
apuntado, de manera que se podrá hacer fotometría diferencial de apertura en cada imagen
independientemente de las condiciones térmicas del nanosatélite. La repetición de estas
observaciones durante semanas permitirá obtener los resultados estadísticos. Un ejemplo de
observaciones de este estilo es el programa BRITE, de observación de estrellas masivas con
nanosatélites, dedicando meses a cada objetivo.
5. Presupuesto
Este proyecto necesitaría una plataforma 6U+A para el nanosatélite. El paso de 6U+ a 6U+A no
es directo, por lo que el coste del prototipo sería previsiblemente más elevado que el coste
eficiente en el mercado para un 6U.
La evolución de DRAGO de una plataforma 3U+ a una 6UA, la integración de DRAGO en la
plataforma y su caracterización correrán a cargo del IAC.
Este proyecto cobra sentido con el lanzamiento y seguimiento constante del nanosatélite y sus
modos de observación, los cuales cambiarán y evolucionarán de día en día en función de los
objetivos a observar. Por ello, el segmento terreno tiene una importancia esencial en el
proyecto, dado que desde tierra se programarán las observaciones del nanosatélite para la
siguiente jornada. Por ello, es imprescindible disponer y controlar eficientemente un segmento
terreno distinto a los habituales, que en la mayor parte del tiempo se dedican a la recepción de
la telemetría del satélite, y solamente en contadas ocasiones envían órdenes al mismo. El
manejo de la estación terrena correrá a cargo del IAC, pero su diseño, fabricación e instalación
en Tenerife por una empresa, con la mejor relación calidad/precio.NOTA: LOS REQUISITOS TÉCNICOS MENCIONADOS EN ESTA NOTA PÚBLICA SON
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6. Beneficios y mercado futuro
El primer y principal beneficiario de este proyecto es el IAC, dada la ciencia de primera línea que
surgirá con las sinergias entre los instrumentos/telescopios de los OOCC y el nanosatélite.
La empresa fabricante de la plataforma obtendrá el desarrollo de un nuevo estándar de
plataforma cuyo uso no estará limitado a observaciones astrofísicas, sino que se puede aplicar
a proyectos de diferente calibre. El mercado de los nanosatélites está creciendo en los últimos
años y los proyectos que las grandes agencias espaciales tienen previstos son muy ambiciosos.
Una plataforma 6UA puede usarse para observaciones de la tierra, observaciones astrofísicas y
misiones espaciales alrededor de otros cuerpos. Además, el desarrollo realizado para la
plataforma 6UA podrá ampliarse a otros estándares: 9UA, 16UA, 27UA, etc.
Finalmente, IACTec-Espacio dispondrá de un nanosatélite 6U a partir de un instrumento
desarrollado y fabricado íntegramente en el centro.
La confluencia del nuevo espacio con las necesidades antes mencionadas y las infraestructuras
científicas de la isla suponen una oportunidad para desarrollar un clúster de alta tecnología
aprovechando infraestructuras e instituciones ya existentes en la isla.
7. Otra información
Presentación en la reunión científica de la Sociedad Española de Astronomía de 2019:
https://www.sea-
astronomia.es/sites/default/files/archivos/proceedings13/Instrumentacion/oral/oscoza.pdf
Presentación en el workshop Tecnologías ópticas y fotónicas para aplicaciones espaciales:
Título: Desarrollo de SWIR para su embarque en ALISIO, un nanosat 3U+
http://www.secpho.org/actoagenda/workshop-tecnologias-opticas-y-fotonicas-para-
aplicaciones-espaciales/
Página web del IAC—> sección microsatélites:
http://www.iac.es/iactec.php?op1=141&op2=461
El satélite ALISIO en la base de datos de nano-satélites:
https://www.nanosats.euTambién puede leer
