Llegar más lejos para ver y comunicarnos mejor

Los satélites sirven para un amplio espectro de usos, desde aplicaciones puramente científicas, como conocer la evolución del universo o medir las ondas gravitacionales emitidas por el choque de dos agujeros negros, hasta aplicaciones de uso cotidiano y universal, como desplazarnos con seguridad con un navegador, predecir el tiempo o comunicarnos mediante datos, voz o vídeo.

Satélites de observación terrestre

Hay distintos tipos de satélites. La clasificación más utilizada para diferenciarlos es distinguirlos según el tipo de misión al que se dedican. En el caso de los satélites de observación terrestre su misión principal es proporcionar datos para conocer el estado de los parámetros que gobiernan el clima. Miden tanto la concentración de gases en la atmósfera, como los vientos, las corrientes marinas, la salinidad del mar o la cantidad de vegetación en cada punto del planeta. Suelen estar en órbitas bajas entre 400 km y 1000 km de altura.

Airbus Espacio Madrid ha participado en más de 20 misiones de Observación de la Tierra, comenzando con subsistemas como la antena del satélite ENVISAT de la Agencia Espacial Europea (ESA). Es el mayor satélite civil de observación de la Tierra que se ha construido, con más de 12 metros de alto y casi siete toneladas de masa. Airbus fue responsable de la antena de su instrumento ASAR, una antena de 10 metros x 2 metros que formaba parte del radar de apertura sintético. Este instrumento obtuvo imágenes durante 10 años, desde febrero de 2002 hasta abril de 2012, duplicando su vida nominal.

Los satélites de observación terrestre proporcionan datos para conocer el estado de los parámetros que gobiernan el clima

Airbus Madrid también ha sido responsable del satélite de observación terrestre SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) que incluye el instrumento MIRAS (Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis), basado en un radiómetro que mide la emisión de la Tierra en la banda de 1.4 GHz. Proporciona datos que permiten calcular la salinidad del mar y la humedad del suelo. Es un instrumento imprescindible para los estudios hidrológicos y de las corrientes marinas. Fue lanzado en noviembre de 2009 con una vida nominal de tres años. Debido a su perfecto funcionamiento, su misión ha sido extendida varias veces y sigue en funcionamiento.

En los últimos años, la sede de Airbus en Madrid se ha hecho responsable de satélites completos, ente los que destacan los dos satélites nacionales del Plan Nacional de Observación de la Tierra por Satélite (PNOTS): PAZ e INGENIO. El satélite PAZ es un radar de observación terrestre construido para el operador nacional de satélites gubernamentales HISDESAT. Desde su puesta en servicio a comienzos de 2018, está cumpliendo los requisitos de la misión y funcionando a la perfección. Por su parte, el satélite INGENIO, también diseñado para HISDESAT y financiado por el CDTI, lleva un sistema óptico de observación de la Tierra y está terminando las pruebas de certificación. Se espera su lanzamiento para el primer trimestre de 2020.

Satélites de navegación

Los satélites de navegación envían señales a la Tierra que permiten a cualquier dispositivo conocer con precisión su posición absoluta y la hora que es. Hay tres sistemas en funcionamiento hoy en día: el americano GPS, el europeo Galileo y el ruso Glonass. Normalmente, están situados en órbitas intermedias, entre unos 20.000 km y 25.000 km de altura.

Airbus ha participado en la misión europea GALILEO. Este sistema de radionavegación y posicionamiento está formado por 30 satélites, de los cuales 24 están en servicio y seis en reserva. Debido a su diseño, es capaz de proporcionar precisiones de un metro en el servicio de acceso abierto y de un centímetro en el servicio regulado.
Una de las principales ventajas del sistema GALILEO respecto del sistema americano GPS o del ruso GLONASS es que dispone de servicios certificados. Estos permiten disponer no sólo de información sobre tiempo y posición sino también de una certificación de que la señal es correcta y de que el sistema está operando dentro de su especificación, por lo que los datos obtenidos pueden usarse para documentos oficiales o comerciales.

Satélites científicos

Los satélites científicos exploran otros planetas, el sistema solar o la galaxia. Observan el Sol, viajan a Mercurio o a Saturno, e incluso algunos están saliendo del sistema solar. Sus instrumentos son normalmente los más sofisticados. Por ejemplo, GAIA cartografía más de 1.000 millones de estrellas en la Vía Láctea y LISA mide las ondas gravitacionales. Tienen órbitas más exóticas, normalmente no alrededor de la Tierra, y pueden estar a millones de km (Gm). Para comunicarse con ellos se utilizan estaciones de seguimiento de satélites de Espacio Profundo. En España hay dos: una de la NASA en Robledo de Chavela y otra de la ESA en Villafranca del Castillo. En Europa, estos satélites son coordinados desde la Agencia Espacial Europea (ESA).

La industria española ha participado en casi todas estas misiones asumiendo la responsabilidad de distintos componentes, subsistemas e instrumentos completos. De especial importancia es el hecho de que Airbus Madrid es responsable del satélite completo CHEOPS y ha sido elegido contratista principal del mismo. La misión de este satélite es caracterizar exoplanetas (que se encuentran fuera de nuestro sistema solar), estimar sus principales características, como tamaño o densidad, y si tienen o no atmósfera.

Este satélite ha sido un éxito desde el punto de vista de terminación dentro de los plazos y costes previstos. Ahora mismo está a la espera de su lanzamiento en algún momento del cuarto trimestre de 2019. Tendrá una vida útil nominal de 3,5 años y orbitará la Tierra a unos 700 km de altura.

Satélites de comunicaciones

Los satélites de comunicaciones se utilizan para comunicar dos puntos de la Tierra. Pueden servir para distribuir señales en grandes zonas (por ejemplo, de televisión) o facilitar comunicaciones punto a punto. Normalmente están en órbita geoestacionaria (en rotación sincrónica alrededor de la Tierra) a 36.000 km de altura.

Históricamente constituyen la aplicación satelital con un mercado comercial más claro, ya que pueden cubrir grandes territorios con un coste relativamente menor que las redes terrestres. Aunque el coste inicial puede ser importante, permiten una cobertura del 100% del territorio desde el primer día mientras que la implantación de redes terrestres es progresiva y siempre da lugar a zonas ciegas. Hoy en día se enfrentan a un gran reto debido a los rápidos cambios en la demanda, que exige mayor flexibilidad y una reducción de costes por megabit (Mbit) transmitido.

Para poder hacer frente a los nuevos retos, se barajan opciones como los sistemas de constelaciones o los satélites de telecomunicaciones de muy alta capacidad (VHTS). En el primer caso, se trata de sustituir los satélites geoestacionarios por constelaciones de satélites en órbita baja.. Uno de los ejemplos es la constelación OneWeb con unos 900 satélites o constelaciones con unos 4.000, ambas en fase de despliegue. Las dos son apuestas muy valientes, ya que otros casos anteriores no tuvieron muy buenos resultados debido a los retos técnicos y comerciales de este tipo de solución.

Los satélites de muy alta capacidad aumentan la capacidad de la tecnología clásica en un factor de 5 mediante antenas reflectoras mayores que dividen la cobertura en partes más pequeñas. Esto permite una reutilización del ancho de banda, de forma análoga a como se hace en tierra con las pico células de la telefonía móvil. Aunque el coste del satélite es mayor, el coste del megahercio se reduce.

Satélites inteligentes y antenas activas

Por último, están los satélites inteligentes con Antenas Activas y Procesado a Bordo. Se apoyan en varios avances tecnológicos que permiten mejorar las prestaciones de las antenas activas y de los equipos de procesado a bordo como la tecnología de Nitruro de Galio (GaN), el grafeno o las memorias de alta capacidad. Se espera que la próxima generación de este tipo de satélites puedan crear enlaces virtuales para cada usuario. Las antenas activas tienen varias funcionalidades que las hacen únicas y probablemente serán el tipo más usado de antenas embarcadas en satélites de comunicaciones en el futuro ya que permiten una gran flexibilidad y optimización de los recursos disponibles en el satélite.

La primera funcionalidad de las antenas activas, por la que se comenzaron a introducir hace unos 15 años en las antenas de recepción, es la capacidad de evitar las interferencias provenientes de Tierra. Las antenas de recepción de los satélites son muy sensibles, ya que las señales que llegan de Tierra son muy débiles, y si reciben una señal interferente (intencionada o no) suficientemente alta puede cegar el receptor, incapacitando el transpondedor afectado y, por tanto, limitando o impidiendo el uso de un satélite. En esos casos, las antenas activas pueden generar un nulo en la dirección de la señal no deseada, evitando así que el receptor se sature y permitiendo un funcionamiento normal del satélite en el resto de las zonas.

ENVISAT es el mayor satélite civil de observación terrestre que se ha construido, con más de 12 metros de alto y casi siete toneladas de masa

Además, combinando antenas activas de recepción con antenas activas de transmisión y el procesado a bordo, se puede conseguir optimizar en tiempo real la potencia y el ancho de banda asignado a las distintas zonas de cobertura. De este modo, se asignan la potencia y/o ancho de banda de las zonas con menos usuarios a las zonas de más tráfico, permitiendo una optimización de los recursos que redunda en una disminución de costes del servicio.

Otra funcionalidad muy novedosa es el Beam Hopping que consiste en combinar el multiplexado en el tiempo y en el espacio de las señales emitidas por el satélite. Un satélite que disponga de antenas activas de recepción y transmisión puede dividir la zona global de cobertura en pequeñas sub-zonas y puede asignar, en tiempo real, a cada una de ellas la capacidad disponible de forma instantánea y flexible, aumentando o disminuyendo el tiempo, la potencia o el ancho de banda asignadas a cada zona. De esta forma, se adapta a las necesidades instantáneas de la demanda en cada zona. Airbus Madrid es pionero en esta tecnología en Europa.

El primer satélite europeo que va a disponer de esta tecnología es el Quantum de Eutelsat, aunque de una forma limitada, ya que las antenas de transmisión son solamente semi-activas. El primero que va a tener esa capacidad completa, con antenas activas para recepción y para transmisión, va a ser el SNG (Spainsat Next Generation) para el operador español Hisdesat.

Lanzadores y dispensadores

La optimización de los recursos de potencia y ancho de banda a bordo de los satélites, unido a la ubicuidad y la agilidad que proporcionan los satélites, permitirá que sigan siendo actores de las telecomunicaciones globales, en sistemas cada vez más integrados y flexibles. Pero para conseguir su objetivo, no debemos olvidarnos de uno de los elementos clave para que un satélite acceda al espacio y pueda estar operativo en la órbita correspondiente: los lanzadores.

En Europa se considera estratégico el hecho de tener garantizado un acceso al espacio de forma independiente, por lo que se siempre se ha dispuesto de lanzadores. Hoy en día se dispone de dos lanzadores europeos: Vega y Ariane-5 (próximamente también el Ariane-6).

El lanzador VEGA en un lanzador de clase media que puede colocar en órbita baja (LEO) hasta 1,5 toneladas, mientras que Ariane 5 es un lanzador grande, capaz de poner en órbita LEO hasta 20 toneladas y en órbita de transferencia a geoestacionaria (GTO) hasta 12 toneladas. El futuro lanzador Ariane 6 tendrá una capacidad similar a Ariane 5, pero con el objetivo de reducir el coste de lanzamiento entre un 30% y un 50%. Se espera que el primer vuelo de Ariane 6 se produzca en 2020.

Airbus Espacio Madrid participa en el diseño y fabricación de grandes estructuras en fibra de carbono para todos los
lanzadores europeos y para lanzadores americanos (SpaceX) y japoneses (HII).

Otro de los elementos clave del lanzamiento son los dispensadores de satélites. Se trata estructuras que sujetan el satélite al lanzador y al llegar al punto adecuado de la trayectoria lo liberan y permiten que sigan su propia trayectoria. Airbus en Madrid-Barajas ha sido responsable de más de 100 estructuras de este tipo, todas ellas con resultados perfectos.

Los dispensadores posibilitan también reducir el coste de lanzamiento, al permitir que un lanazador pueda llevar satélites adicionales al satélite principal hasta completar su capacidad total. Los dispensadores se encargan de liberar los satélites en el momento adecuado. No hace mucho, en el lanzamiento de un satélite americano falló el dispensador y, al no soltar el satélite, provocó su reentrada en la atmósfera con resultados catastróficos para el satélite.

El acceso al espacio es difícil y, por tanto, caro. Hay que tener en cuenta que la energía necesaria para poner un satélite de 1.000 kilos en órbita baja es del orden de 10 megavatio-hora (MWh). Si lo queremos llevar a órbita geoestacionaria hay que multiplicar por diez la energía necesaria, llegando los 100 MWh. Quizás llegue un día que haya lanzadores que se basen en otro sistema, pero por ahora la única forma de lanzar un satélite al espacio es ponerlos en un cohete que quema combustible.

Como conclusión, podemos decir que los satélites y el acceso al espacio son una infraestructura estratégica. Por ello, existen planes europeos y nacionales que apoyan proyectos de I+D para seguir en la vanguardia de la tecnología. En España contamos con empresas, Airbus entre ellas, que disponen de las capacidades tecnológicas para suministrar, en colaboración con otras empresas nacionales y europeas, las nuevas generaciones de satélites y lanzadores que se van a necesitar para contribuir al crecimiento económico y el bienestar de los ciudadanos europeos.

If it flyes we make it

Si tuviéramos que pensar en algunos de los principales actores del sector aeroespacial del panorama internacional, seguro que Airbus se encontraría entre ellos, capaz de ‘hacer cualquier cosa que vuele’. Y esto se explica porque Airbus nació como la fusión de las mejores empresas aeronáuticas europeas: la española Construcciones Aeronáuticas (CASA), la francesa Aerospatial-Matra y la alemana DASA.

A lo largo de los años ha seguido creciendo e incorporando otras empresas, y en total cuenta con más de 130.000 empleados por todo el mundo. Airbus Space Systems en Madrid, la antigua CASA Espacio, cuenta con 500 empleados y es uno de los centros más avanzados de tecnología espacial de España.