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Nanosatelites

Nanosatélites: o futuro da comunicação no espaço

Há alguns anos, os programas espaciais eram uma área só reservada para poucos governos e empresas com grandes capitais. Na atualidade, os nanosatélites mudaram o ecossistema orbital, possibilitando o acesso a novas regiões e a um amplo leque de indústrias que ingressaram no chamado New Space: um setor em ascensão, que democratiza a comercialização do espaço graças a uma tecnologia menor, ágil e acessível.

A comercialização do espaço, tradicionalmente reservada às grandes potências econômicas privadas e públicas, nos últimos anos tem se diversificado com a incorporação de uma tecnologia mais acessível. Este cenário permitiu a muitas regiões impulsionar sua corrida espacial e que novas indústrias possam contar com acesso aos serviços por satélite. No entanto, a democratização do universo também trouxe importantes desafios. Elena Roibás Millán, professora na Escola Técnica Superior de Engenharia Aeronáutica e do Espaço (ETSIAE), explica o que são e aborda as chaves para uma consolidação bem-sucedida no setor.

Formalmente, um nanosatélite é qualquer satélite com massa entre 1 kg e 10 kg. Apesar de que estes pequenos dispositivos espaciais transformaram a gestão orbital, a realidade é que seu tamanho não é essencial na consecução deste marco. “Nos inícios da era espacial, todos os veículos espaciais eram pequenos, a partir do lançamento do Sputnik, embora nas primeiras duas décadas não tenham parado de crescer. No começo dos anos 80, apareceram os microssatélites, que adotaram uma perspectiva de design completamente diferente para reduzir custos, com o emprego de tecnologias já existentes e de componentes comerciais prontos para uso (COTS) devidamente qualificados”, explica a Doutora em Engenharia Aeroespacial pela UPM.

Segundo nanosatélite desarrolla-do íntegramente por la UPM

Os nanosatélites têm capacidades semelhantes aos convencionais, mas assumem missões muito específicas, como a observação da Terra, telecomunicações ou meteorologia, e em raras ocasiões realizam trabalhos interplanetários, pelo que costumam operar em órbitas baixas de 400 km e 1000 km de altitude.  “A principal diferença está na filosofia do design, que emprega o que se chama de aproximação design-to-cost. Trata-se de incluir o custo como parâmetro do design, de maneira que a planificação do projeto é muito estrita. A consequência direta é passar de um cenário em que só um seleto grupo de

países, agências espaciais e grandes indústrias, podem construir e lançar satélites, para um caso em que muitos centros de pesquisa e universidades podem fazer isto”, assevera Roibás Millán, apontando que para obter avanços em inovação, “muitas vezes é preciso assumir riscos e realizar um processo de teste e erro até encontrar a solução desejada, coisa que com um satélite de 200 milhões de euros não é uma opção”. Por este motivo, os nanosatélites se transformaram em plataformas muito valiosas para científicos e pesquisadores.

No entanto, algumas de suas desvantagens estão relacionadas, justamente, com o reduzido tamanho, que torna complexa a integração de grandes painéis solares desdobráveis para incrementar a potência elétrica gerada ou de antenas refletoras que permitam transmitir para a Terra. “Em geral, isto faz com que o funcionamento neste tipo de dispositivos seja fundamentalmente em órbitas próximas”, explica Roibás Millán.

Particularidades tecnológicas

As fases de desenvolvimento de um nanosatélite são as mesmas que para os convencionais: pré-projeto e estudo de viabilidade, projeto preliminar e em detalhe, fabricação, ensamblagem e integração e, por último, ensaios de qualificação e aceitação para lançamento. A principal diferença é que todo este processo seria efetuado em um tempo muito mais reduzido. Se geralmente as unidades de grande porte demorariam entre 5 e 15 anos, uma pequena precisaria, em muitos casos, de menos de 12 meses. “Para esta redução de tempo contribuiu em grande medida a padronização de modelos. Os mais empregados na atualidade são os denominados CubeSats, um padrão surgido no final da década de 90 e que define uma unidade mecânica externa (1U, um cubo de 10 cm de lado e menos de 1,33 kg)”, afirma a especialista. Este ajuste no processo de desenvolvimento possibilitou a criação de subsistemas comerciais que permitem focar o design na missão que será realizada e não nos demais elementos necessários para completá-la com sucesso.

Esta agilidade evita um dos principais inconvenientes nos projetos de grandes satélites: a obsolescência de equipamentos. Às vezes, este desajuste com as necessidades do mercado tem lugar no intervalo entre o projeto e o lançamento, e de vez em quando por sua estadia no espaço. “As tecnologias de comunicação se atualizam continuamente e isto representa ter que operar com técnicas antigas em muitas oportunidades, porque é impossível realizar modificações sobre um projeto em andamento”, expõe. Este conceito de vida útil nos nanosatélites não é um problema, já que as constelações se renovam assiduamente e é bem mais simples implementar mecanismos de vanguarda.

Seu percurso pode ser dividido em duas fases. Até 2013, a maioria dos nanosatélites eram desenvolvidos por centros de pesquisa e estudo, com o objetivo de realizar pequenas atividades de observação. A partir desse ano, muitas empresas (principalmente no setor das telecomunicações) lançaram missões formadas por constelações para oferecer cobertura global. “Na era da Internet das Coisas, uma infraestrutura de comunicações capaz de gerenciar grandes quantidades de dados e garantir o serviço em qualquer posição geográfica é necessária, apesar de que também sejam interessantes para a meteorologia, a segurança, o monitoramento de desastres, etc.”, refere.

Hoje em dia, mais de 70 países operam este tipo de dispositivos com sucesso, e muitos deles ingressaram na corrida espacial graças a esta tecnologia. “Vários países da América Latina possuem agências espaciais nacionais (México, Peru, Uruguai e Bolívia), e alguns, como Argentina e Brasil, até têm sedes de lançamento espacial, quando há pouco tempo os únicos projetos desenvolvidos com êxito foram aqueles realizados em parceria com EUA, Rússia ou Europa”, afirma Roibás Millán. Na última década, observou-se na região um crescente interesse pela realização de projetos próprios, fundamentalmente desenvolvidos por universidades, que já conseguiram momentos de êxito em países como Peru, Paraguai e Guatemala, mas também através de órgãos militares e da defesa nacionais (por exemplo, a Força Aérea Colombiana desenvolveu o FACTSAT-1), e algumas agências espaciais (por exemplo, os nanosatélites NEE-01 e 02 da Agência Espacial Civil Equatoriana). “Este interesse pode ser observado na criação, no final do ano passado, da Agência Latino-Americana e Caribenha do Espaço (ALCE). Parece coerente acreditar que focar no mercado dos nanosatélites pode representar a oportunidade de independência tecnológica destas regiões e a possibilidade de desenvolver novas indústrias”, expõe.

Riscos e desafios de um setor em expansão

Hoje em dia, a taxa de lançamento anual de nanosatélites se encontra entre 70 e 90 dispositivos, muitas vezes em projeções múltiplas que injetam em órbita 30 ou mais unidades ao mesmo tempo. “A conta é simples”, assegura Roibás Millán, “são lançados mais satélites dos que se desintegram e, portanto, espera-se que o número de objetos no espaço aumente de maneira contínua”. Esta situação origina um excesso de lixo espacial que nos últimos anos esteve acompanhado por estratégias claras de desorbitação e eliminação de resíduos pelos profissionais do setor, e que deve ser dividida a escala mundial. “Embora o risco de colisão seja estatisticamente baixo, incrementou-se de maneira preocupante, não só por causa do número de dispositivos, mas pela massificação de objetos orbitando que produz colisões e dispersões em série”, explica. Devido a que acontece em órbitas próximas à Terra, originam-se alertas de colisão quase que em periodicidade semanal, que em alguns casos obrigam a realizar correções e manobras para evitá-las.

Além destas medidas reativas, a especialista reconhece que no curto prazo devem ser evitadas “as explosões de objetos que já não se encontram ativos (por exemplo, desativando os sistemas de potência elétrica no final da vida útil)”. No longo prazo, o desafio se fundamenta na regularização. “O método mais eficaz para estabilizar o número de restos espaciais é o estabelecimento de diretrizes sobre a eliminação e garantir o estrito cumprimento destes protocolos”, afirma. Também foram implementadas algumas missões de limpeza, como a ClearSpace 2, da ESSA, cujo lançamento está previsto para 2025. “As opções consideradas empregarão tanto braços robóticos para coletar o resto espacial e levá-lo de volta à Terra quanto opções que não são de contato direto. No entanto, o desenvolvimento deste tipo de missões ainda está em processo e não é uma solução factível no curto prazo”, conclui.

UPMSat-2: Uma missão educativa de demonstração tecnológica em órbita

Elena Roibás Millán é diretora do projeto UPMSat-2, o segundo satélite desenvolvido integramente na Universidade Politécnica de Madrid por seus pesquisadores e estudantes, e que foi lançado na madrugada de 3 de setembro de 2020 a bordo do foguete Vega com outros 52 pequenos satélites. Juntamente com seus objetivos principais de defensor tecnológico e ferramenta educativa, seu desenvolvimento representou a demonstração da capacidade do centro para fabricar, integrar, ensaiar e operar um equipamento espacial de prestações modernas, conservando na execução toda a complexidade de um sistema espacial completo. A missão, que terá uma duração de dois anos, está sendo controlada e monitorada na Estação Terrena do Instituto IDR/UPM no Campus de Montegancedo. Estas tarefas, em que a participação dos estudantes é chave, originarão novos desafios e oportunidades de trabalho e desenvolvimento tecnológico, bem como a colaboração com outros grupos de pesquisa. Ha colaborado neste artigo…

Elena Roibás Millán es Ingeniera Aeronáutica y Doctora en Ingeniería Aeroespacial por la UPM.Elena Roibás Millán é engenheira aeronáutica e doutora em Engenharia Aeroespacial pela UPM. Atualmente, ela é professora na Escola Técnica Superior de Engenharia Aeronáutica e do Espaço (ETSIAE) da UPM. Desde 2018, é subdiretora do Departamento de Sistemas Aeroespaciais, Transporte Aéreo e Aeroportos da mesma escola.

Seu trabalho de investigação começou em 2011, com o desenvolvimento de seu projeto de tese de doutorado em ESTEC (European Space Research and Technology Center), centro tecnológico da ESA localizado em Noordwijk (Holanda). Atualmente, ela pertence ao Instituto Universitário de Investigação ‘Ignacio Da Riva’, da UPM, que explora linhas de pesquisa relacionadas às estruturas espaciais, à engenharia de sistemas, aos sistemas de potência espacial e ao design de nanosatélites. Neste campo, é diretora técnica do projeto UPMSat-2, que opera na atualidade em uma órbita terrestre a 500 km de altitude.

Além disso, participa de forma ativa em projetos com financiamento público nacional e europeu, e é autora de mais de 20 artigos científicos indexados (JCR) e é colaboradora habitual em congressos e conferências nacionais e internacionais.

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