Proba-3, la misión de satélites españoles que crearán eclipses para estudiar las radiaciones solares que afectan a la Tierra

La Proba-3 de la Agencia Espacial Europea (ESA) es la primera misión de vuelo en formación de precisión de la historia. Con una importante participación de España, la esencia del programa se basa en el vuelo orbital de dos satélites totalmente independientes que viajarán juntos manteniendo una configuración fija, como si se tratara da una gran estructura rígida, mientras realizan pequeños eclipses entre ellos para estudiar la corona del Sol.

Tal y como apuntan desde la ESA, los desafíos científicos actuales exigen la detección de señales cada vez más débiles y apuntar hacia características más pequeñas. Este trabajo tan afinado como quirúrgico se escapa a las capacidades de una sola nave espacial, así que la única solución actual es un vuelo en formación de esos dos satélites.

El lanzamiento de Proba-3 está programado para el día 4 de diciembre a las 11:45 hora de España peninsular. La plataforma de despegue se encuentra en el Centro Espacial Dhawan (India), desde donde partirá el cohete Polar Satellite Launch Vehicle (PSLV) con los dos satélites integrados para colocarlos en su órbita.

Representación de los dos satélites de la misión Proba-3 ESA

La obtención de vuelos en formación precisos abre una nueva era para la ciencia y las aplicaciones, señalan desde la agencia. Las misiones futuras podrían realizarse a una escala mucho mayor empleando esta misma técnica de vuelo orbital desarrollada para la misión Proba-3.

"El concepto de la misión nace tan pronto como en el 2007 o el 2008, aunque realmente no se inicia con la configuración actual hasta 2014", ha explicado Diego Rodríguez Gómez, director de tecnología y ciencia de Sener, a EL ESPAÑOL-Omicrono. Esta compañía, con sede en Madrid, es la contratista principal de Proba-3 y, como tal, la encargada de coordinar todos los equipos de trabajo de las diferentes empresas e instituciones.

NASA/JPL-Caltech Omicrono

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En los últimos años, "Europa ha logrado avances significativos en el campo de las misiones multisatélite", aseguran en la ESA. Por ejemplo, el vehículo de transferencia automática ha demostrado una precisión de unos pocos centímetros al acoplarse a la ISS, mientras que la misión Prisma de Suecia ha hecho lo propio al volar en formación durante breves periodos de tiempo, manteniendo igualmente una precisión en el orden centimétrico a lo largo de decenas de metros. Aspectos que Proba-3 intentará mejorar en varios órdenes de magnitud.

Extrema precisión

Una de las particularidades de esta misión es que ambos satélites ejecutarán una órbita altamente elíptica que se acerca a 600 kilómetros a la Tierra en su perigeo —punto más próximo al planeta— y llega hasta los 60.000 kilómetros en el apogeo —punto más alejado—.

"Precisamente, la parte de la gestión de las operaciones es uno de los elementos más delicados de toda la misión", apunta Rodríguez. El planteamiento de la trayectoria contempla dos fases diferenciadas dentro de la órbita. La primera de ellas es el vuelo libre que se lleva a cabo durante la mayoría del tiempo que se encuentren en el espacio.

Durante esos periodos en los que no se realizará ninguna medición científica, ambos satélites viajarán relativamente cerca, pero no necesitarán llevar un posicionamiento de formación muy ajustado. Los desafíos vienen en la siguiente fase, cuando ambas plataformas deberán volar con una precisión tan milimétrica que parecerá que forman una estructura rígida entre ellas.

Representación del viaje de los satélites integrados en la cofia del PSLV P. Carril / ESA

Cada órbita está estudiada para que tenga una duración de 20 horas y el objetivo es que ambos satélites entren en formación en un determinado punto de forma autónoma. "Entrar en formación significa que ellos solos se conectan, miden su distancia y empiezan a funcionar en lazo cerrado", asegura el experto.

Es en ese momento cuando ambos satélites se establecerán a una distancia de 150 metros uno del otro mientras viajan a miles de kilómetros por hora en el espacio exterior. "Es como si estuvieran unidos con una barra que no existe".

Los satélites estarán programados para que, cada vez que vayan a pasar por ese punto de la órbita cercano al apogeo, ejecuten "automáticamente las órdenes de vuelo en formación" y lo mantengan alrededor de las 6 horas. Y, a partir de otra ubicación rumbo de nuevo al perigeo, entren en vuelo libre a la espera de la siguiente vuelta a la Tierra.

La "vida estimada de la misión se sitúa en los dos años con una expansión posible de medio año más", según explica en esta ocasión Yann Joseph Scoarnec, jefe de proyecto de Proba-3 en Sener. "Pero hay que contar también que tenemos 4 meses de puesta en servicio en este periodo, estamos limitados por el combustible a bordo" de las naves. "En cuanto a la reentrada, se hará efectiva dentro de 5 años de manera natural", destruyéndose ambos sistemas por el rozamiento atmosférico.

Generador de eclipses

Tras un periodo de unas 20 semanas —aproximadamente los 4 meses de puesta en servicio mencionados por el experto— en las que los satélites irán encendiéndose y calibrándose, los científicos de la Agencia Espacial Europea comenzarán a realizar sus primeras investigaciones empleando ambos satélites y los sistemas que integran a bordo.

La base de la misión consiste en que una de las plataformas —denominada Occulter— genere un eclipse artificial para la siguiente —Coronograph— cuando ambas se encuentren volando en formación cerrada y estén convenientemente alineadas. Gracias a esta maniobra, se establecerán unas condiciones de luminosidad adecuadas y muy complicadas de replicar en la superficie terrestre para el estudio de la corona solar.

Representación de Coronagraph (izquierda) y Occulter (derecha) P. Carril / ESA

El satélite Occulter está equipado con un disco de bloqueo de 1,4 metros de diámetro que se mantendrá perpendicular a la dirección de la luz solar. Este disco proyectará una sombra de unos 8 centímetros de ancho a 150 metros de distancia, lugar donde se encontrará el antes mencionado Coronograph. 

Este último satélite pesa 300 kilogramos y es el responsable de la captura de datos. Para ello, incorpora un coronógrafo de 5 centímetros de apertura y un sensor de radiación como instrumentos científicos principales. Por su parte, el Occulter dispone de varios sistemas de guiado cuya finalidad es establecer una conexión permanente con el Coronograph para ejecutar el vuelo en formación y proporcionar el eclipse artificial.

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El coronógrafo de la misión examinará la estructura y la dinámica de la región entre la corona alta y la corona baja del Sol. Se trata de una zona que sólo puede estudiarse cuando existen eclipses solares totales de origen natural, un fenómeno que ocurre unas 60 veces por siglo y tiene una duración de 10 minutos. Por ponerlo en perspectiva, Proba-3 podrá estudiar la corona durante 6 horas en cada órbita que dura 20 horas.

Las naves de esta misión realizarán un total de 50 vuelos en formación al año en los que generarán un eclipse entre ellas. "También tenemos otros tipos de experimentos que vamos a hacer, como probar si los satélites pueden recortar la distancia establecida de 150 metros de separación, en otras órbitas los alejaremos e incluso iremos cambiando el ángulo", puntualiza a EL ESPAÑOL-Omicrono Esther Bastida Pertegaz, ingeniera de sistemas de la ESA.

Satélites de la misión Proba-3 P. Carril / ESA

Según explican desde la ESA, la corona solar es un campo de investigación científica que se analiza no sólo para mejorar la comprensión del Sol, sino también como predictor de la actividad climatológica de la estrella. Como por ejemplo, las eyecciones de masa coronal o las tormentas solares que pueden afectar al funcionamiento de las telecomunicaciones y las redes eléctricas en la Tierra.

Sello España

La fabricación inicial de ambos satélites se ha realizado en España, pero la integración de la aviónica se ha llevado a cabo en Bélgica, que es el segundo país en peso de participación en la misión Proba-3. "Aproximadamente el 40% de los elementos se han desarrollado en nuestro país, con una parte muy importante en la parte del desarrollo de algoritmos", prosigue Rodríguez Gómez.

En total, han participado en la misión 40 empresas de 16 países, entre las que se encuentran las españolas GMV, Deimos, HV Sistemas, Inventia y Sener. Además de las ramas de España de Airbus y Thales Alenia Space.

Satélites de Proba-3 en las instalaciones de Sener en España Sener

Sener, como contratista principal, ha sido el encargado del desarrollo del diseño del sistema de la misión, tanto en el segmento espacial como en el terrestre. También se ha erigido como responsable del diseño, fabricación y pruebas de algunas unidades de los satélites, como los ensamblajes del banco óptico de alta estabilidad para ambos orbitadores.

Estos bancos aseguran que el apuntamiento de los diferentes instrumentos ópticos y cargas útiles de los satélites sea controlado y muy estable durante los periodos largos de observación de la misión, tal y como explican desde la Asociación Española de Empresas Tecnológicas de Defensa, Seguridad, Aeronáutica y Espacio (TEDAE).

Airbus Defence and Space en España ha realizado el diseño, la fabricación y la integración de las dos plataformas de los satélites, incluyendo la estructura, el cableado, el control térmico, la propulsión y los mecanismos de separación entre ellos. Airbus Crisa ha contribuido aportando la Unidad Electrónica de Interfaz (IEU), que hace de puente entre el ordenador de a bordo y distintos subsistemas del satélite.

La compañía GMV ha sido la responsable de uno de los sistemas embarcados más complejos de la misión: el que se encarga del vuelo en formación. Incluye el diseño, la implementación y la validación del software. También ha provisionado los sistemas de monitorización y control de vuelo en las infraestructuras de tierra firme.

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Por otro lado, Deimos, además de haber realizado el análisis inicial de Proba-3, ha dirigido un experimento para explotar la idoneidad de esta misión para la maduración de tecnologías de rendezvous (encuentro espacial) a todo tipo de órbitas y con objetivos no cooperativos. Esto permite la demostración de tecnologías habilitadoras clave para misiones de servicio en órbita y de retirada activa de residuos espaciales.

HV Sistemas ha contribuido aportando al proyecto la unidad de pruebas de la Unidad Electrónica de Interfaz (IEU); Inventia se ha ocupado del diseño, análisis y fabricación de dos maquetas para la verificación de la plataforma y Thales Alenia Space ha aportando los transpondedores de telemetría, seguimiento y comando de ambos satélites.

Cohete indio

Como ocurre con el resto de decisiones tomadas en las misiones espaciales, la elección del cohete PSLV no fue una tomada a la ligera. Se trata de un lanzador que se sitúa a medio camino entre el cohete Vega-C, encargado de la próxima misión Sentinel y que se queda corto en capacidad, y el mencionado Ariane 6, pensado para misiones más pesadas.

"La decisión se tomó hace unos tres años y, finalmente, tuvimos que recurrir a un lanzador alternativo". El PSLV "es muy competitivo y económicamente adecuado", reconoce. Se trata de un lanzador no reutilizable en ninguna de sus cuatro etapas de propulsión que lleva operativo desde 1993 y ya ha realizado 60 misiones, la que llevará a órbita a Proba-3 será la número 61.

Cohete PSLV XL ISRO

El vehículo mide 44 metros de alto por un diámetro de 2,8 metros y un peso al momento de despegue de 320 toneladas. La versión XL, la que se emplea en esta misión de la Agencia Espacial Europea, puede llevar a bordo una carga de unos 1.300 kilogramos.