El camino al espacio pasa por la estratósfera


El camino al espacio pasa por la estratósfera
      Autores

Si pensamos que, dependiendo del parámetro de medida utilizado, México ocupa el lugar 11 o 13 en la economía mundial, queda claro que, en el área espacial, el país no tiene aún la posición que merece. Para salvar esta brecha no sólo se debe formar los recursos humanos necesarios, también es preciso adquirir un conjunto de conocimientos técnicos sumamente especializados, muchos de los cuales no se encuentran en libros, pues son el resultado de la experiencia práctica de construir instrumentos, de forjar éxitos y, sobre todo, de tener la oportunidad de fracasar; esto es: fabricando instrumentos que vuelen. Si éstos son construidos para ser lanzados al espacio, el proceso será lento, difícil y costoso; más aún, lo que se envía al espacio no se recupera. De ahí que, una alternativa sea utilizar la estratósfera como ámbito para pruebas y operaciones. 

La estratósfera, en alturas de entre 30 y 40 km, se parece mucho —visto como desafío técnico— a las órbitas bajas, en las cuales se encuentra la mayor parte de los satélites, pero tiene dos ventajas fundamentales: el acceso es barato comparado con el llegar al espacio, y lo enviado se puede recuperar fácilmente mediante el uso de paracaídas. Esto convierte los vuelos estratosféricos, o suborbitales, en una alternativa excelente para el desarrollo de tecnología espacial.


     Con el apoyo del fondo sectorial Conacyt-AEM y, en cooperación con el Consejo de Ciencia, Tecnología e Innovación, del Estado de Hidalgo (Citnova), el Laboratorio de Instrumentación Espacial (Linx), del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN-UNAM), se encuentra implementando un sistema de acceso estratosférico para proveer a la comunidad mexicana de una opción barata, rápida y simple de desarrollar y evaluar tecnología espacial, así como para formar recursos humanos en dicho sector. 


Existen, por lo menos, dos razones. La primera es el costo del transporte: a alturas inferiores a 160 km, la fricción con la atmósfera reduce considerablemente el tiempo de vida de cualquier satélite; por tanto, en la práctica, la mayoría de los satélites orbitan a alturas superiores a 300 km. Por otro lado, la mayor parte del cohete, si no es que todo, se pierde en cada lanzamiento —lo que resulta ser equivalente a tirar el avión a la basura después de cada vuelo—. Así, el costo por kilogramo puesto en órbita depende, en mucho, del tamaño del cohete.
     Típicamente, cuanto más grande es el cohete, mayor es la masa transportada en cada vuelo y menor el costo por kilogramo, ya que es menor masa y complejidad por kilogramo útil transportado del costoso lanzador perdido. Esto hace que el costo de un kilogramo de masa puesto en una órbita baja pueda variar entre 2,000 y 20,000 dólares.

     La segunda razón es prácticamente derivada de la primera y del hecho de que el espacio es un ambiente sumamente hostil. Siendo tan caro poner un instrumento en órbita, se debe minimizar el riesgo de perderlo por una falla técnica, y son varios los factores que contribuyen a aumentar tal riesgo. La carencia de atmósfera impide la disipación convectiva de calor y dificulta una homogeneización rápida de las temperaturas internas, lo que origina la producción de temperaturas extremas —ya sea frías o calientes—, así como grandes diferencias de temperaturas, simultáneamente, sobre un mismo componente mecánico o electrónico. Además de esto, partículas de alta energía —denominadas rayos cósmicos— que, en su mayor parte, son apantalladas por la atmósfera sobre la superficie terrestre, inciden con gran intensidad sobre los satélites, pudiendo producir daños considerables en sus componentes electrónicos. Todo esto, sumado, causa que el diseño de todos y cada uno de los sistemas de un instrumento orbital sea un proceso largo y costoso. Más aún, en la medida de lo posible, los componentes utilizados deben tener una certificación espacial que garantice su supervivencia en las condiciones extremas mencionadas; lo que los vuelve entre 100 y 1,000 veces más caros que sus equivalentes de uso terrestre. Así, un instrumento orbital, cuyo equivalente terrestre se desarrolle en menos de un año, puede llevar una década en ser diseñado y construido, además de costar 100 veces más

La estratósfera es la capa de la atmósfera directamente arriba de la tropósfera, y se extiende (a latitudes medias) entre 15 y 50 km de altura. En su interior, la temperatura aumenta con la altura, debido a la absorción de radiación UV por parte del ozono. Por otro lado, la humedad del aire es sumamente baja, debido a que el propio aire se seca al cruzar la tropopausa, donde la temperatura pasa por un mínimo de entre 55 y 80 oC. Arriba de los 30 km de altura —fácilmente alcanzables con globos— ya sólo resta un milésimo de la atmósfera existente en la superficie terrestre.
     Bajo estas condiciones, el ambiente estratosférico presenta muchas de las mismas características y, de los mismos desafíos que el ambiente espacial, desde el punto de vista tecnológico. No obstante, es más barato y rápido realizar las cargas útiles correspondientes y, por tanto, en muchos casos, resulta más conveniente validar tecnología y perfeccionarla en vuelos estratosféricos. 
     Un instrumento capaz de volar en la estratósfera tiene un costo sólo un poco mayor al de uno terrestre y utiliza globos como medio de elevación —por ser muchísimo más baratos que los cohetes—. Así, para cargas equivalentes, un vuelo estratosférico es, típicamente, entre 3,000 y 10,000 veces más barato que uno suborbital, y el desarrollo de todo el sistema puede llevar sólo algunos meses, en vez de varios años.  
     Una ventaja adicional es que lo lanzado al espacio se pierde y, si algo falla, nunca se puede saber exactamente qué salió mal, mientras que lo enviado a la estratósfera se recupera fácilmente y puede ser analizado para descubrir las fallas, aprender de los errores y mejorar el diseño, todo esto en forma rápida y barata.        
     Por otro lado, la falta de atmósfera permite realizar experimentos científicos imposibles de consumarse desde la superficie terrestre, por lo que vuelos estratosféricos no sólo son útiles para experimentar en temas relacionados con ciencias aplicadas, sino también con las básicas, como cosmología, astrofísica de altas energías y dinámica atmosférica, entre otras.

 

En el marco del Fondo Sectorial Conacyt-AEM, Linx lleva a cabo una serie de actividades relacionada con el desarrollo de las capacidades mexicanas de acceso sistemático a la estratósfera para investigación en ciencias de la ingeniería y tecnología espacial y en ciencia básica. Este sistema de acceso es un servicio disponible a toda la comunidad académica e industrias mexicanas que deseen hacer uso de él. Los usuarios tienen la posibilidad de volar tanto materiales y/o componentes como sistemas completos, que pueden o no ser parte de una plataforma independiente capaz de proveer potencia, sensores, sistemas de control y almacenamiento de datos, control térmico, etcétera.
     Existen dos de estas plataformas: una para cargas usuarias de hasta 3 kg, denominada Aton, y otra para cargas de hasta 50 kg, denominada Pixqui.
     Aton vuela sobre el estado de Hidalgo con medios completamente propios, una vez por mes, desde hace más de un año. Pixqui, una plataforma más grande que vuela como una subcarga de otra plataforma mayor, ya ha realizado un vuelo exitoso con un globo de la NASA y puede volar hasta dos veces al año. 

     Los diversos vuelos de Aton han servido para desarrollar la tecnología requerida, maximizar la seguridad y confiabilidad en el sistema, además de conocer la dinámica de vientos y accesibilidad al terreno sobre todo del estado de Hidalgo. También se ha validado con Aton, en noviembre de 2017 —en vuelo suborbital—, el nanosatélite producido por Linx NanoConect-1: primer satélite mexicano en su tipo con todos los subsistemas requeridos para vuelo orbital y un experimento huésped de física de partículas.
     Asociado con este proyecto, se está realizando, en cooperación con Citnova (Consejo de Ciencia, Tecnología e Innovación de Hidalgo) y el gobierno del estado de Hidalgo, el Laboratorio Nacional de Acceso Estratosférico (Lanae), que contará con facilidades para la integración y lanzamiento de cargas útiles nacionales y en colaboración con socios internacionales, e incorporará un polo de desarrollo de pequeñas empresas de tecnología e innovación en el sector espacial, en sinergia con el Lanae. 
     Linx también posee experiencia en el desarrollo de instrumentación estratosférica de mucho mayor porte para fines científicos, con la cual puede apoyar a investigadores mexicanos que deseen participar en este tipo de grandes proyectos. En particular, Linx ha participado —en cooperación con otros seis países— en el desarrollo y construcción del telescopio EUSO-Balloon, de 500 kg, lanzado con la agencia espacial francesa CNES, desde Timmins, Canadá, en 2015, y del teles-copio EUSO-SPB, de 1.5 toneladas, lanzado con NASA, en 2017, desde Wanaka, Nueva Zelandia; ambos proyectos son prototipos de misiones espaciales en astrofísica de altísimas energías.

Gustavo Medina Tanco

Es Profesor Titular en ICN-UNAM y responsable del Laboratorio de Instrumentación Espacial, Linx y Doctor por la USP, Brasil. Ha realizado estancias posdoctorales en el Dept. of Physics and Astronomy, University of Leeds, UK; en el Royal Greenwich Observatory, Cambridge, UK; y en IAG-USP, Brasil. Ha sido académico en la International Academy of Astronautics, París, Francia, así como Investigador Asociado en el Instituto RIKEN, Japón; ex Adjoint Professor of Physics and Astronomy, University of Vanderbilt, USA; Poste Rouge IRAP, Univ. Paul Sabatier, Tolosa, Francia; profesor del Dep. de Astronomía, IAG-USP, Brasil; Coordinador Científico de la Colaboración Int. JEM-EUSO. Es autor de más de 170 artículos en revistas internacionales, con más de 5500 citas, más de 150 charlas invitadas y es miembro del SNI. C. e.: gmtanco@nucleares.unam.mx

Av. Insurgentes Sur 1582, Col. Crédito Constructor • Del. Benito Juárez C.P.: 03940, México, D.F. Tel: (55) 5322-7700
Comentarios, sugerencias y dudas sobre este sitio de internet y sus sistemas:
Centro de Contacto y Soporte Técnico  

DERECHOS RESERVADOS © 2014
Políticas de Privacidad