El taller surge desde el marco del programa Open Space, con el objetivo de dar contexto a las tecnologías utilizadas en CubeSats y presentar algunas misiones típicas.

Un CubeSat es un satélite compuesto por módulos estandarizados o unidades básicas de unos 10x10x10 cm. Cada una de estas unidades suelen tener una masa de, aproximadamente, 1.3 kg. Partiendo de esta unidad, los tamaños más comunes son 1U, 3U y 6U, aunque hay muchísimas variedades. En nuestro caso, en el contexto de Open Space, nos interesa particularmente los CubeSats de 1U, ya que es un tamaño similar al que ofrecen en el programa (9x9x11.1 cm)

Distintas configuraciones de Cubesats - NASA

Distintas configuraciones de Cubesats - NASA.


Además del tamaño, hay otras características propias de las misiones con CubeSats que los hacen atractivos para ciertas aplicaciones: El uso de componentes comerciales (COTS) adaptados y el bajo costo de desarrollo y de lanzamiento, lo hacen una gran opción para misiones de poco presupuesto. Por ejemplo, se suelen emplear como parte de programas educativos y son ideales como demostradores tecnológicos, ya que se pueden asumir mayores riesgos que en misiones tradicionales (quizás SAOCOM o ARSAT).

Ahora que está un poco más claro qué es un CubeSat, hablamos un poco de historia. Fueron creados en el 1999 por la California Polytechnic State University y por la Stanford University con fines educativos. Al principio nadie (salvo por sus creadores) los tomaba en serio, considerándolos meros “juguetes” sin valor tecnológico real. Hasta la NASA ignoró esta propuesta. Aún así, siguieron impulsando esta idea y lanzando los primeros CubeSats (todos de 1U) hasta que se los empezó a tomar en serio como una plataforma valiosa para la demostración tecnológica. Hoy, gracias a los avances de la tecnología y la inversión puesta en desarrollar instrumentos miniaturizados, es posible hacer ciencia de calidad con estos satélites. Los números lo dicen todo: hasta el 2013, la mayoría de los CubeSats lanzados tenían fines académicos; desde entonces, más del 50% tienen fines comerciales o están asociados a proyectos amateurs.

Evolución de los operadores de CubeSats desde el 1998 al 2023 con predicciones. Crédito: Erik Kulu, Nanosats Database, www.nanosats.eu


Entonces, además de servir como una herramienta educativa y plataforma de demostración tecnológica, ¿qué se puede hacer con CubeSats de 1U? Las misiones más comunes suelen ser de geofísica (principalmente, campos magnéticos), investigación del ambiente espacial y radiación ionizante, astronomía, y observación terrestre (aún con algunas limitaciones). Otro uso que suele pasar desapercibido pero que tiene mucho valor es la retransmisión de datos. Por ejemplo, instalar cientos de sensores en un área difícil de acceder, como lo es el Amazonas o la Antártida, y, en vez de recolectar los datos sensor por sensor, enviarlos todos a través de un satélite de relay.

Y, ¿qué se puede hacer con CubeSats en general? Cuando se tienen 3U, 6U o 12U para trabajar, las posibilidades hoy en día son prácticamente infinitas. Pensá algo que quieras hacer y, probablemente, hasta un cierto nivel, lo puedas hacer con un CubeSat.

Para diseñar y armar un CubeSat se necesitan más o menos los mismos elementos que para cualquier satélite: siempre hay una estructura, computadora de abordo para comandos y manejo de datos, un sistema de potencia o energía, y un sistema de telecomunicaciones para transferir la información a tierra. Hay otros subsistemas (los sistemas que componen al satélite) que siempre se ven en un satélite “convencional” pero no siempre en CubeSats, por una cuestión de espacio, como por ejemplo, control de actitud y control térmico. Otros subsistemas están en desarrollo, como son la propulsión y antenas desplegables; ya se ven, pero de forma más bien experimental.

La estructura suele ser lo más estándar que tiene un CubeSat. Para 1U tiene una medida exterior de 10x10x11.35 cm, y para más unidades suele medir, más o menos, el equivalente a apilar varias de estas “cajitas”. En general, actúa como protección y soporte para otros subsistemas, como son paneles solares y antenas, que pueden ir adheridos a la estructura o en paneles desplegables. El material típico es aluminio, aunque se está viendo un poco más de impresión 3D.

Estructuras estándar de CubeSats. Crédito: Pumpkin Inc.


Laelectrónica para la computadora de abordo suele ser otro subsistema altamenteestandarizado. Normalmente se ven placas PC/104 apiladas, lo que tiene susventajas y desventajas. Las ventajas son prácticamente evidentes: es un sistemafácil de implementar y es compatible con otros complementos. Las desventajasvienen por el lado de que no están hechas para ir al espacio: sufren mucho dela radiación y pueden tener problemas mecánicos en el lanzamiento.

Interior del satélite ITUpSat-1. Crédito: ITU.


Luego de estos dos subsistemas, donde todo parece ir bastante “fácil”, empiezan los desafíos: generar y almacenar energía. Los CubeSats tienen muy poca superficie, lo que hace que generar energía con paneles solares requiera un poco de creatividad. Por eso, muchos recurren a paneles solares desplegables, o a utilizar celdas solares pequeñas, para poder cubrir la mayor cantidad de área posible. En cuanto al almacenamiento de la energía, las baterías han ido mejorando. Se suelen utilizar baterías de ión-litio (Li-ion) o de polímero de litio (Li-Po). La mejora de estas baterías se puede ver en los celulares, que cada vez traen mayores capacidades en mAh. Estas nuevas capacidades permitieron utilizar instrumentos más potentes, por lo que se puede hacer más ciencia en menos espacio.

Izquierda – CAPE-2, de la Universidad de Louisiana Lafayette. Crédito: University of Louisiana. 

Derecha – ChargerSat-1 de la Universidad de Alabama. Crédito: University of Alabama.


Para que el satélite pueda operar con normalidad, necesita comunicarse con las estaciones terrenas. Las telecomunicaciones de CubeSats en órbitas terrestres están bastante estudiadas, aunque tienen algunos problemas. Como estos satélites producen bajas potencias, tienen bajo rango y ancho de banda, lo que hace que comunicarse pueda tener complicaciones. Típicamente, las antenas se suelen hacer de metal flexible (¡incluso se usan cintas métricas!) que se atan al satélite con un hilo o cable y  luego se sueltan en órbita para desplegarlas.

Satélites de la mission Edison Demonstration of Smallsat Network (EDSN). Crédito: NASA


Si el satélite tiene paneles solares y/o instrumentos que orientar de una cierta forma, se necesita tener un sistema de control de actitud. Los sistemas más empleados son los volantes de reacción y las barras de torsión magnética. Los volantes de reacción se usan como “sistema principal”, pero tienen un problema: se saturan. Si esto pasa, se necesita generar un torque opuesto para “descargar” las ruedas, y ahí es donde se usan las barras de torsión. Estas barras de torsión magnética son bobinas que, cuando se les hace circular una corriente, interactúan con el campo magnético de la tierra y producen un torque sobre el satélite. Hay otros sistemas de control de actitud, como pequeños propulsores de gas frío, pero no suelen verse en CubeSats de 1U porque es ineficiente; sí se ven en CubeSats más grandes.

Izquierda – Sistema de control de actitud con volantes de reacción. Crédito: Stanford SSI. 

Derecha – Placa con magnetorquer o barras de torsión magnética. Crédito: ISISpace.


Otro de los grandes desafíos que tienen los CubeSats es el control térmico. Utilizar sistemas de control térmico pasivos como pinturas o MLI (las mantas térmicas doradas que se ven en casi todos los satélites) es prácticamente imposible, ya que le sacaría área a los paneles solares. Sí se ven heat pipes para redirigir el calor, o métodos de control activos, como heaters o disipadores criogénicos.

 Con tantos desafíos, es natural que haya desarrollos y nuevas tecnologías. En la generación y almacenamiento de energía se vienen los paneles solares flexibles, nuevos materiales para celdas solares y baterías, y, un poco menos convencional, celdas de combustible de hidrógeno. Estas celdas de combustible ya se utilizaron durante años en la industria espacial, pero ahora se están logrando avances en la miniaturización de esta tecnología.

Unasucesión de celdas conectadas en serie sobre una lámina de polímero de 0.025 mmde espesor. Crédito: Casey (2014


Enmateria de propulsión también hay muchísimo en desarrollo, principalmente paraCubeSats de 3 o más U, pero también para 1U. Uno de los más atractivos es elsistema de propulsión PPTCUP, ya que utiliza Teflon como “combustible”,haciéndolo mucho más seguro para lanzar, ya que no se necesita presurizar gasesni transportar combustibles inflamables.

Izquierda – Propulsor por efecto Hall. 6.2mN, 200W. Crédito: UTIAS SFL. 

Derecha – Sistema de propulsión por plasma pulsado PPTCUP con Teflon. 40μN, 2W. Crédito: Ciaralli et al. (2015)


Izquierda – Resistojet - Módulo PUC (Propulsion Unit for CubeSats). 0.45N, 15W. Crédito: CU Aerospace y VACCO. 

Derecha – Propulsor por electrospray. 74μN, 1.5W. Crédito: MIT.


Otra de las áreas con grandes avances es la de las antenas y las telecomunicaciones.Se busca mejorar la eficiencia y el ancho de banda disponible en UHF y Banda Ly S, aún manteniendo las bajas potencias. Asimismo, se quiere desarrollarsistemas en Banda K, Ka y Ku, para lo que se necesitan antenas desplegables,como la desarrollada por JPL. Por otro lado, se está investigando lacomunicación óptica y por láser, que se cree que solucionaría varios de losproblemas de telecomunicaciones actuales.

Izquierda – Antena en Banda Ka, con un volumen de 1.5U. Crédito: NASA/JPL-Caltech. 

Derecha - Antena helicoidal desplegable en UHF. Crédito: Helical Communication Technologies.


Si la idea es hacer ciencia con estos satélites, hay que escoger la instrumentación. Algunas opciones que se pueden utilizar en CubeSats de 1U son: magnetómetros para mediciones de campos magnéticos (¡teniendo mucho cuidado de considerar los campos magnéticos propios de la electrónica!); contadores Geiger (tubos G-M) y otros detectores de partículas, para el estudio de radiación ionizante y no-ionizante; sensores CMOS y CCD, ampliamente empleados en astronomía, pero tan cerca nuestro como la cámara de un celular, que utiliza un sensor CMOS; o sistemas ópticos pequeños, que puede ser cualquier cámara comercial en distintas longitudes de onda.

Como en toda misión, hay que tener en cuenta limitaciones y puntos críticos en la instrumentación. Aún más cuando se está trabajando con un desafío como Open Space, donde se tienen algunas restricciones adicionales. Las más importantes, en líneas generales, son la disposición física de los experimentos, la orientación del satélite, y el tiempo de operación.

Por un lado, se pide que la disposición sea en bandejas apiladas. Esto puede limitar la altura de los instrumentos, o habrá que modificar las bandejas para poder hacer lugar, con todos los inconvenientes estructurales que podría generar.

Segundo, si bien nos dicen que el satélite generalmente apunta a “Nadir” (dirección mirando a la Tierra desde el espacio), también se deja claro que el satélite podría estar en otra orientación al momento de la operación del experimento.

Disposición en bandejas para el proyecto de Open Space. Crédito: Open Space/Satellogic.


Y por último, el tiempo de operación es limitado, 10 minutos desde el encendido del instrumento, y a discreción de Satellogic. Por lo tanto, puede que en esos 10 minutos no se pueda pasar justo por encima del Amazonas, Argentina, o algún lugar de interés en particular.

Para poner un ejemplo, si bien sacar fotos y generar imágenes es tentador, se tienen muchos desafíos que resolver. Con satélites tan pequeños como CubeSats de 1U, los sistemas ópticos suelen tener problemas con la distancia focal (la distancia entre la lente y el plano focal, donde la imagen se forma). Si bien esta distancia depende de la lente que se use, también es necesario generar una separación física, algo que se complica en espacios tan cargados. Además, en el contexto de Open Space, hay que considerar que no nos garantizan que, cuando el experimento este en funcionamiento, el satélite esté apuntando a la Tierra, algo fundamental en la observación terrestre.

Un tipo de misión que da más flexibilidad es la demostración tecnológica, pero require conocimiento del área: qué se sabe, qué se está investigando, qué cosas son posibles. Sin embargo, para un desafío como Open Space ésta puede ser una opción clave, ya que muchas de las restricciones que se ponen no afectan demasiado. Por ejemplo, la orientación del satélite no suele ser de relevancia, y puede operar en cualquier momento (¡sólo importa que funcione!).

Para terminar de dar contexto, acá van algunos ejemplos de CubeSats recientemente lanzados:

CubeSats de 1U

DAVE (Cal Poly, 2018)

Demostración tecnológica de amortiguadores mecánicos en microgravedad.

Virginia CubeSats Constellation (varias universidades, 2019) y EagleSat-1 (Embry-Riddle, 2017)

Medir el deterioro orbital para formar una base de datos de resistencia atmosférica para pequeños satélites.

MakerSat-0 (Northwest Nazarene University, 2017)

Medir el deterioro de distintos polímeros utilizados en impresión 3D por la exposición al ambiente espacial.

RadFxSat (AMSAT y Vanderbilt University, 2015 y 2017)

Medir el efecto de la radiación ionizante en circuitos integrados de memoria, especialmente en CMOS.

CubeSats de +3U

Doves de Planet (3U)

Constelación comercial de observación terrestre (muy similar a Satellogic). Sus satélites tienen resoluciones de entre 3 y 5 metros (dependiendo el ángulo de la cámara) y tienen una masa de 4 kg cada uno. ¡Llevan lanzados casi 100 satélites!

Representación artística de uno de los satélites Dove de la empresa Planet. Crédito: Planet.


TEMPEST-D (6U)

Desarrollado por la Colorado State University y el NASA JPL. Es una satélite de demostración tecnológica para lo que quieren que sea una constelación de satélites para observación de tormetas y precipitaciones a escala global.

Izquierda – Satélite TEMPEST-D listo para lanzarse. Crédito: Blue Canyon Technologies. 

Derecha – Mirada al interior del huracán Dorian. Crédito: NASA/JPL-Caltech.


MarCO (6U)

Fueron los primeros CubeSats en embarcarse en una misión interplanetaria y completarla con éxito. Asistieron a la sonda InSight en su amartizaje en el 2018, permitiendo la comunicación entre la sonda y la Tierra durante los minutos en los que comunmente no se recibe información debido a la formación de plasma atmosférico. Estos dos pequeños satélites sin dudas representan el futuro de los CubeSats.

Representación artística de los satélites gemelos, MarCO-A y MarCO-B. Crédito: NASA/JPL-Caltech.


Mg. Ing. Sonia Botta.