Pueden ser pequeños, pero también son poderosos. Una nave espacial muy pequeña e innovadora llamada CubeSats está preparada para desempeñar un papel importante en el programa Artemisa de la NASA, que devolverá a los humanos a la Luna para 2024.

Los avances en electrónica de consumo y sensores miniaturizados permiten que las pequeñas naves espaciales sean herramientas poderosas para la exploración espacial.

"Varias cosas se han unido para crear lo que se llama la revolución SmallSat y CubeSat", dice Christopher Baker, ejecutivo del programa de tecnología de pequeñas naves espaciales dentro de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA. "Parte de esto ha sido la disponibilidad de componentes comerciales que tienen una potencia de procesamiento increíble, son muy pequeños y funcionan con poca energía eléctrica".

Los CubeSats también ofrecen acceso frecuente, flexible y de bajo costo al espacio, mientras que el cronograma desde la concepción hasta el lanzamiento de estas diminutas naves espaciales puede ser acelerado. Permiten hacer cosas que antes no hubieran sido posibles con una gran nave espacial monolítica, observa Baker.

Sonda de pulso láser

"En el caso de la exploración lunar, los CubeSats están demostrando ser plataformas cada vez más capaces de preceder a los exploradores humanos en la Luna y Marte", señala Baker.

Una misión precursora es Lunar Flashlight, un satélite muy pequeño de 12 por 24 por 36 centímetros desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama. Las mediciones, dirigidas por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, localizarán depósitos de hielo en los cráteres permanentemente sombreados de la Luna, llamados trampas frías, y estimarán el tamaño y la composición de esos posibles depósitos congelados. El CubeSat utiliza un receptor óptico alineado con cuatro láseres que pulsan secuencialmente el paisaje lunar para buscar hielo de agua y otros volátiles asociados con trampas frías lunares.

Al mapear el polo sur lunar, la misma región donde la NASA planea aterrizar astronautas de Artemisa, los datos recopilados por Lunar Flashlight ayudarán a informar y apuntar a futuras misiones. Además, conocer la concentración de hielo de agua en las trampas frías podría influir en dónde establecer una base lunar, ya que el agua puede extraerse y procesarse para producir combustible para cohetes y agua potable hechos en la Luna.

"Todavía queda mucho trabajo por hacer para establecer una presencia humana sostenible a largo plazo en la Luna. Para lograr esa visión, necesitamos utilizar los recursos que están disponibles in situ en la mayor medida posible", dijo Baker. “¿Cuánto hielo hay dentro de las regiones permanentemente sombreadas, cuál es su composición y que profundad alcanza? Hemos comenzado a comprender estas cosas con diferentes instrumentos orbitales y ahora necesitamos saber más sobre lo que hay allí".

Para lograr esto, se busca más conocimiento sobre el hielo lunar de misiones como Lunar Flashlight, así como misiones de prospección móvil.

Si bien Lunar Flashlight ayudará a identificar hielo o escarcha en la superficie en las regiones permanentemente sombreadas, otras misiones deberán determinar la profundidad de los depósitos a continuación. Captar esos datos podría hacerlo un rover u otro satélite equipado con un radar de penetración terrestre.

Misión de exploración

Otro proyecto de exploración que representa una demostración rápida de vuelo lunar es el CubeSatr llamado CAPSTONE. Este CubeSat de bajo costo es aproximadamente del tamaño de un pequeño horno microondas.

CAPSTONE demostrará muchas novedades, comenzando con su lanzamiento desde Tierra a bordo de un cohete Rocket Lab Electron a principios de 2021. La plataforma Photon de la compañía le dará un impulso a CAPSTONE, poniendo al CubeSat en su trayectoria hacia el espacio cislunar.

CAPSTONE se colocará en la misma órbita lunar destinada a Gateway: una especie de estación espacial o puesto avanzado lunar que los astronautas visitarán antes de descender a la superficie de la Luna en un sistema de aterrizaje como parte del programa Artemisa.

Operando en lo que se llama una órbita de halo casi rectilínea, una órbita altamente elíptica sobre los polos de la Luna, CAPSTONE rotará junto con la Luna a medida que orbita la Tierra y pasará tan cerca como 1,6 kilómetros y hasta 70.006 kilómetros de la superficie lunar.

Dinámica orbital

Como la misión inaugural de esta órbita cislunar única, que es administrada por el Centro de Investigación Ames de la NASA en el Silicon Valley de California, CAPSTONE demostrará cómo ingresar y funcionar en esta órbita especial, así como probar una nueva capacidad de navegación.

“La dinámica de esa órbita se ha modelado en tierra, pero no se ha colocado ninguna nave espacial allí. Queremos medir lo que se necesita para entrar y permanecer en esa órbita”, explica Baker. "No se necesita mucha energía para entrar en una órbita de halo casi rectilínea. Por lo tanto, no se necesita mucha energía para salir de esa órbita. Por lo tanto, si no se necesita mucha energía para salir de esa órbita, entonces, ¿cómo te quedas allí? CAPSTONE nos aconsejará sobre cuánto combustible va a gastar Gateway para mantener esa órbita”, agrega.

Una tarea adicional de CAPSTONE es el uso de un sistema de comunicaciones a bordo capaz de determinar lo lejos que está el CubeSat de la sonda espacial LRO de la NASA y lo rápido que cambia la distancia entre los dos. Esta demostración de software de navegación de nave espacial a nave espacial podría permitir a futuras misiones determinar su lugar en el espacio sin tener que depender exclusivamente del rastreo desde la Tierra

"Esperamos ver una proliferación de estas pequeñas misiones. No todas ellas podrán hablar a la vez con nuestra Red de Espacio Profundo”, explica Baker. La Red de Espacio Profundo de la NASA es un poderoso sistema de grandes antenas de radio para ordenar, rastrear y controlar la salud y seguridad de las naves espaciales en muchos lugares planetarios distantes.

Futuro a corto plazo

Mirando hacia el futuro a corto plazo de los CubeSats, Baker comenta que están en su mejor momento cuando se utilizan para objetivos específicos. Dicho esto, sin embargo, los CubeSats también pueden trabajar juntos en misiones distribuidas o enjambres. Se pueden tener múltiples CubeSats operando en las mismas órbitas compatibles y luego sintetizar los datos recopilados por cada nave espacial individual.

Baker imagina un papel en expansión para misiones pequeñas y económicas. Él ve su utilidad como una herramienta de reacción rápida, por lo que cuando surga algo desconocido, los investigadores puedan apuntar de manera inmediata y receptiva a una misión para recopilar esos datos.

"Desde una pequeña perspectiva de tecnología de naves espaciales, una de las cosas que realmente me gusta hacer es encontrar la misión que alguien dice que no se puede hacer ... y luego tratar de descubrir cómo hacerlo", dice Baker. "Francamente, dado el ritmo de la pequeña comunidad de naves espaciales, nuestros socios académicos y de la industria, pueden tener una subestimación de lo que podemos lograr en los próximos cinco años".