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| Un SmallSat como éste, trabajando con un enjambre de naves espaciales similares con más polarímetros de ángulo estrecho y alta resolución, podría revolucionar la comprensión de la formación y los procesos meteorológicos. Crédito: NASA/SDL/Jose Vanderlei Martins |
Los enjambres de pequeños satélites podrían comunicarse entre sí para recoger datos sobre patrones meteorológicos importantes en diferentes momentos del día o del año, y desde múltiples ángulos. Estos enjambres, utilizando algoritmos de aprendizaje automático, podrían revolucionar la comprensión de los científicos sobre los cambios meteorológicos y climáticos.
La ingeniera Sabrina Thompson está trabajando en un software que permita a las pequeñas naves espaciales, o SmallSats, comunicarse entre sí, identificar objetivos de observación de gran valor y coordinar la actitud y el tiempo para obtener diferentes vistas del mismo objetivo.
"Ya sabemos que el polvo sahariano que llega a las selvas amazónicas afecta a la formación de nubes sobre el Océano Atlántico en determinadas épocas del año", explica Thompson, que trabaja en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Greenbelt (Maryland). "¿Cómo se capta esa formación de nubes? ¿Cómo se le dice a un enjambre de satélites qué región y momento del día es el mejor para observar ese fenómeno?"
Según el plan de Thompson, los científicos establecerían un conjunto de requisitos para las observaciones y definirían objetivos de alto valor. A continuación, el software tomaría el relevo y permitiría a un enjambre de naves espaciales averiguar cómo moverse entre sí para observar mejor esos objetivos. Las estrategias también podrían cambiar en función de la hora del día, la estación del año o la región observada. La nave espacial también utilizaría el aprendizaje automático a bordo para mejorar las estrategias de observación a lo largo del tiempo.
"Hay varios tipos de configuración de enjambre que se están considerando", dijo Thompson. "Una de ellas podría ser un enjambre en el que los satélites estuvieran en diferentes órbitas, lo que les permitiría ver una nube u otro fenómeno desde diferentes ángulos. Otro enjambre podría ver el mismo fenómeno con una visión similar, pero a diferentes horas del día. Un tercer tipo de enjambre podría combinar ambos, con algunos satélites en la misma órbita, siguiéndose unos a otros con cierto desfase temporal, y otros satélites que podrían estar en órbitas con diferentes altitudes y/o inclinaciones".
Mientras que un enjambre se mantendría dentro de la misma órbita, las naves espaciales individuales podrían incluso utilizar algo llamado control de arrastre diferencial -manipulando las fuerzas causadas por la atmósfera de la Tierra que se arrastran contra la nave en órbita- para controlar la separación de tiempo entre cada nave espacial en relación con otras en el enjambre, dijo. "El tiempo necesario para realizar una maniobra de arrastre diferencial depende de la masa y el área de la nave, así como de la altitud orbital. Por ejemplo, puede llevar hasta un año o tan poco como un par de días, incluso horas".
"Con varias naves espaciales en una formación para ver el mismo objetivo", dijo Thompson, "se puede ver una nube, por ejemplo, no solo desde arriba, sino también desde los lados". En una formación diferente, se puede ver esa nube en diferentes etapas de su ciclo de vida desde múltiples SmallSats que pasan en diferentes momentos.
En colaboración con el profesor de la Universidad de Maryland-Condado de Baltimore (UMBC) José Vanderlei Martins, Thompson ayudó a desarrollar el CubeSat Polarímetro Hiper-Angular (HARP) que se lanzó desde la Estación Espacial Internacional (ISS) hace poco más de un año. Una versión actualizada de su instrumentación, denominada HARP2, volará en la misión Plankton, Aerosol, Nube, Ecosistema oceánico (PACE) cuyo lanzamiento está previsto para 2023.
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| Configurar la nave siguiente para maximizar la resistencia y la líder para minimizarla hará que la seguidora baje de altura y alcance a la líder. Crédito: NASA/Sabrina Thompson |
Un enjambre de SmallSats como HARP, que comparta información y coordine la cobertura, podría hacer avanzar la previsión meteorológica, la información sobre catástrofes y la modelización del clima a largo plazo, dijo Vanderlei Martins. Para conseguirlo, los científicos necesitan la combinación de campos de visión amplios y estrechos e imágenes de alta resolución para comprender mejor la dinámica del desarrollo de los sistemas meteorológicos.
"Lo ideal sería tener un satélite con un amplio campo de visión que observara un fenómeno mayor", dijo. "Sin embargo, un satélite pequeño que cubra una gran superficie no puede realizar observaciones de alta resolución espacial. No obstante, puedes utilizarlo como un satélite de tipo topográfico para identificar la zona de interés. Luego tienes otros con un campo de visión más estrecho, que consiguen una mayor resolución, obteniendo mucho más detalle".
Es fundamental que el enjambre pueda tomar decisiones y compartir información. Según Vanderlei Martins, "este tipo de decisiones deben tomarse en minutos. No hay tiempo para que intervenga el control de tierra".
Thompson señaló que reducir la dependencia de las redes de control y comunicaciones en tierra también libera recursos para las misiones de SmallSat con presupuestos limitados.
Como ingeniera aeroespacial que trabaja para obtener un título de física atmosférica en la Universidad de Maryland, en el condado de Baltimore, Thompson volvió a la escuela para aprender más sobre los requisitos de las ciencias de la Tierra que impulsan su trabajo como innovadora. "También quería entender de verdad el cambio climático".
La forma en que interactúan las partículas de aerosol y las nubes es crucial para entender el cambio climático. Los polarímetros pueden proporcionar una gran cantidad de datos sobre las partículas suspendidas en la atmósfera: desde el humo, la ceniza y el polvo hasta las gotas de agua y el hielo, cada especie de partícula polariza la luz que se refleja en ella de forma detectable.
"En un nivel básico, mi investigación consiste en evaluar la geometría entre los instrumentos del satélite y el sol", dijo Thompson. "Estos instrumentos son pasivos. Requieren una determinada geometría en relación con el objetivo terrestre y el Sol para obtener los datos científicos que deseamos".
Sus algoritmos determinarán las combinaciones más adecuadas de órbita y campo de visión de los instrumentos para dar la mayor probabilidad de observar una nube con la geometría adecuada para recuperar datos científicos. A continuación, planificará y ejecutará los esquemas de maniobra de cada nave para conseguir esas geometrías en relación con los demás satélites del enjambre.
Este trabajo para comprender la estructura y el desarrollo de las nubes está relacionado con el Sistema de Observación de la Atmósfera, o AOS, (anteriormente el estudio de Aerosoles y Nubes, Convección y Precipitación identificado como una prioridad en el Estudio Decenal de la Tierra de 2017. Vanderlei Martins y Thompson creen que su tecnología de enjambre complementa los objetivos científicos del AOS y podría mejorar las próximas misiones científicas de la Tierra de la NASA.
Proporcionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA