Pequenos satélites, alguns menores do que uma caixa de sapato, estão orbitando cerca de 200 milhas acima da Terra, coletando dados sobre nosso planeta e o universo. Não é apenas sua pequena estatura, mas também seu custo menor que os diferencia dos maiores satélites comerciais que transmitem chamadas telefônicas e sinais de GPS em todo o mundo, por exemplo. Esses SmallSats estão prestes a mudar a maneira como fazemos ciência a partir do espaço. Seu preço mais barato significa que podemos lançar mais deles, permitindo constelações de medições simultâneas de diferentes locais de visualização várias vezes ao dia - uma abundância de dados que teria um custo proibitivo com o tradicional, plataformas maiores.

Chamado de SmallSats, esses dispositivos podem variar do tamanho de grandes geladeiras de cozinha ao tamanho de bolas de golfe. Os nanossatélites estão na extremidade menor do espectro, pesando entre um e 10 quilos e com o tamanho médio de um pão.

A partir de 1999, professores de Stanford e das universidades politécnicas da Califórnia estabeleceram um padrão para nanossatélites. Eles criaram um sistema modular, com unidades nominais (cubos 1U) de 10x10x10 centímetros e peso de 1kg. Os CubeSats crescem em tamanho pela aglomeração dessas unidades - 1,5U, 2U, 3U, 6U e assim por diante. Como o CubeSats pode ser construído com peças comerciais prontas para uso, seu desenvolvimento tornou a exploração espacial acessível a muitas pessoas e organizações, especialmente estudantes, Faculdades e universidades. O aumento do acesso também permitiu vários países - incluindo a Colômbia, Polônia, Estônia, Hungria, Romênia e Paquistão - para lançar o CubeSats como seus primeiros satélites e ser pioneiro em seus programas de exploração espacial.

Os CubeSats iniciais foram projetados como ferramentas educacionais e provas de conceito tecnológicas, demonstrando sua capacidade de voar e realizar as operações necessárias no ambiente espacial hostil. Como todos os exploradores espaciais, eles têm que lidar com as condições de vácuo, radiação cósmica, amplas oscilações de temperatura, alta velocidade, oxigênio atômico e muito mais. Com quase 500 lançamentos até hoje, eles também levantaram preocupações sobre o aumento da quantidade de "lixo espacial" orbitando a Terra, especialmente porque estão quase ao alcance dos amadores. Mas, à medida que as capacidades desses nanosatélites aumentam e suas possíveis contribuições aumentam, eles conquistaram seu próprio lugar no espaço.

Da prova de conceito às aplicações científicas

Ao pensar em satélites artificiais, temos que fazer uma distinção entre a própria nave espacial (muitas vezes chamada de "ônibus de satélite") e a carga útil (geralmente um instrumento científico, câmeras ou componentes ativos com funções muito específicas). Tipicamente, o tamanho de uma espaçonave determina o quanto ela pode transportar e operar como carga útil científica. Conforme a tecnologia melhora, espaçonaves pequenas tornam-se cada vez mais capazes de suportar instrumentos cada vez mais sofisticados.

Essas cargas úteis de nanosatélites avançadas significam que os SmallSats cresceram e agora podem ajudar a aumentar nosso conhecimento sobre a Terra e o universo. Esta revolução está bem encaminhada; muitas organizações governamentais, empresas privadas e fundações estão investindo no projeto de ônibus e cargas úteis CubeSat que visam responder a questões científicas específicas, cobrindo uma ampla gama de ciências, incluindo tempo e clima na Terra, clima espacial e raios cósmicos, exploração planetária e muito mais. Eles também podem atuar como desbravadores de missões de satélite maiores e mais caras que resolverão essas questões.

Estou liderando uma equipe aqui na Universidade de Maryland, O Condado de Baltimore está colaborando em uma espaçonave CubeSat com foco científico. Nossa carga útil Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) foi projetada para observar as interações entre nuvens e aerossóis - pequenas partículas, como poluição, pó, sal marinho ou pólen, suspenso na atmosfera da Terra. O HARP está prestes a ser o primeiro polarímetro de imagem dos EUA no espaço. É um exemplo do tipo de instrumento científico avançado que não teria sido possível enfiar em um minúsculo CubeSat em seus primeiros dias.

Financiado pelo Earth Science Technology Office da NASA, O HARP viajará na espaçonave CubeSat desenvolvida pelo Laboratório de Dinâmica Espacial da Universidade Estadual de Utah. Quebrando a tradição de usar peças de consumo disponíveis para cargas úteis CubeSat, a equipe do HARP adotou uma abordagem diferente. Otimizamos nosso instrumento com peças projetadas e fabricadas sob medida, especializadas para realizar o delicado multi-ângulo, medições de polarização multiespectral exigidas pelos objetivos científicos do HARP.

O HARP está atualmente programado para lançamento em junho de 2017 na Estação Espacial Internacional. Logo em seguida, ele será lançado e se tornará totalmente autônomo, satélite de coleta de dados.

SmallSats - grande ciência

O HARP foi projetado para ver como os aerossóis interagem com as gotículas de água e partículas de gelo que formam as nuvens. Aerossóis e nuvens estão profundamente conectados na atmosfera da Terra - são partículas de aerossol que semeiam as gotículas de nuvem e permitem que elas cresçam em nuvens que eventualmente deixam cair sua precipitação.

Esta interdependência implica que a modificação da quantidade e tipo de partículas na atmosfera, via poluição do ar, afetará o tipo, tamanho e tempo de vida das nuvens, bem como quando começa a precipitação. Esses processos afetarão o ciclo global da água da Terra, balanço energético e clima.

Quando a luz solar interage com partículas de aerossol ou gotículas de nuvem na atmosfera, ele se espalha em diferentes direções dependendo do tamanho, forma e composição do que encontrou. O HARP medirá a luz espalhada que pode ser vista do espaço. Seremos capazes de fazer inferências sobre a quantidade de aerossóis e o tamanho das gotículas na atmosfera, e compare nuvens limpas com nuvens poluídas.

Em princípio, o instrumento HARP teria a capacidade de coletar dados diariamente, cobrindo todo o globo; apesar de seu tamanho reduzido, ele coletaria grandes quantidades de dados para a observação da Terra. Este tipo de capacidade não tem precedentes em um satélite minúsculo e aponta para o futuro de mais barato, precursores do pathfinder mais rápidos de implantar para missões maiores e mais complexas.

O HARP é um dos vários programas em andamento que aproveitam as vantagens do CubeSats para a coleta de dados científicos. NASA, universidades e outras instituições estão explorando novas tecnologias de ciências da terra, O ciclo radiativo da Terra, Emissão de microondas da Terra, nuvens de gelo e muitos outros desafios de ciência e engenharia. Mais recentemente, o MIT foi financiado para lançar uma constelação de 12 CubeSats chamada TROPICS para estudar a precipitação e a intensidade das tempestades na atmosfera terrestre.

Por enquanto, tamanho ainda importa

Mas a natureza dos CubeSats ainda restringe a ciência que eles podem fazer. Limitações de poder, armazenamento e, mais importante, capacidade de transmitir as informações de volta para a Terra impede nossa capacidade de executar continuamente nosso instrumento HARP dentro de uma plataforma CubeSat.

Então, como outra parte do nosso esforço, estaremos observando como o HARP faz conforme faz suas observações científicas. Aqui na UMBC, criamos o Centro de Estudos da Terra e do Espaço para estudar o desempenho dos pequenos satélites em responder a perguntas científicas sobre os sistemas terrestres e espaciais. É aqui que os dados brutos do HARP serão convertidos e interpretados. Além de responder a perguntas sobre interações nuvem / aerossol, o próximo objetivo é determinar a melhor forma de usar SmallSats e outras tecnologias para aplicações de ciências terrestres e espaciais. Ver o que funciona e o que não funciona ajudará a informar missões espaciais maiores e operações futuras.

A revolução SmallSat, impulsionado pelo acesso popular ao espaço via CubeSats, agora está correndo para a próxima revolução. A próxima geração de cargas úteis de nanosatélites avançará as fronteiras da ciência. Eles podem nunca substituir a necessidade de satélites maiores e mais poderosos, mas os NanoSats continuarão a expandir seu próprio papel na corrida contínua para explorar a Terra e o universo.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.