Magia nera. Questo è ciò che gli ingegneri della radiofrequenza chiamano le forze misteriose che guidano le comunicazioni via etere. Queste forze coinvolgono una fisica complessa e sono abbastanza difficili da padroneggiare sulla Terra. Diventano più sconcertanti solo quando trasmetti segnali nello spazio.

Fino ad ora, la forma scelta per la fusione di questa "magia" è stata la parabola. Più grande è la parabola dell'antenna, meglio è "catturare" o trasmettere segnali da lontano.

Ma CubeSats lo sta cambiando. Queste astronavi sono pensate per essere leggere, economico ed estremamente piccolo:la maggior parte non è molto più grande di una scatola di cereali. Ad un tratto, i progettisti di antenne devono racchiudere la loro "magia nera" in un dispositivo in cui non c'è spazio per un'antenna parabolica, figuriamoci per molto altro.

"È come tirare fuori un coniglio da un cappello, " ha detto Nacer Chahat, uno specialista nella progettazione di antenne presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, Pasadena, California. "Ridurre le dimensioni del radar è una sfida per la NASA. Come ingegneri spaziali, di solito abbiamo molto volume, quindi costruire antenne racchiuse in un piccolo volume non è qualcosa per cui siamo addestrati".

Sfida accettata.

Chahat e il suo team hanno spinto i limiti dei progetti di antenne, e recentemente ha lavorato con un team CubeSat sull'antenna per Radar In a CubeSat (RainCube), una missione dimostrativa tecnologica prevista per il lancio nel 2018. L'antenna distintiva di RainCube assomiglia un po' a un ombrello infilato in un jack-in-the-box; quando è aperto, le sue costole si estendono da un contenitore e allargano una maglia dorata.

Come suggerisce il nome, RainCube utilizzerà il radar per misurare la pioggia e le nevicate. I CubeSat sono misurati in incrementi di 1U (Unità CubeSat, o 1U, è approssimativamente equivalente a una scatola cubica da 4 pollici, o 10x10x10 centimetri cubi). L'antenna RainCube deve essere abbastanza piccola da essere stipata in un contenitore 1.5U. Pensala come un'antenna in una lattina, senza spazio libero per nient'altro.

"Grande, antenne dispiegabili che possono essere riposte in un piccolo volume sono una tecnologia chiave per le missioni radar, " ha detto Eva Peral di JPL, ricercatore principale per RainCube. "Aprono un nuovo regno di possibilità per il progresso della scienza e applicazioni uniche".

Per mantenere le sue dimensioni relativamente ridotte, l'antenna si basa sull'alta frequenza, Lunghezza d'onda della banda Ka, qualcosa di ancora raro per i CubeSat della NASA, ma è ideale per RainCube. Ma la banda Ka ha altri usi oltre al radar. Consente un aumento esponenziale del trasferimento dati su lunghe distanze, rendendolo lo strumento perfetto per le telecomunicazioni.

La banda Ka consente velocità di trasmissione dati circa 16 volte superiori alla banda X, lo standard attuale sulla maggior parte dei veicoli spaziali della NASA.

In tal senso, lo sviluppo dell'antenna di RainCube può testare l'uso dei CubeSats più in generale. Sebbene la maggior parte sia stata limitata a semplici studi nell'orbita vicina alla Terra, la giusta tecnologia potrebbe consentire loro di essere utilizzati fino a Marte o oltre. Ciò potrebbe aprire CubeSats a tutta una serie di missioni future.

"Per consentire il prossimo passo nell'evoluzione di CubeSat, hai bisogno di questo tipo di tecnologia, " ha detto Jonathan Sauder di JPL, capo ingegnere meccanico per l'antenna RainCube.

Chahat è stato inserito nel team RainCube dopo aver lavorato su un altro progetto innovativo di antenna. La missione MarCO (Mars Cube One) consiste in una coppia di Cubesat a cui è stato proposto di volare nel 2018 con il lander InSight della NASA, che misurerebbe per la prima volta la tettonica del Pianeta Rosso. Mentre InSight sta atterrando, i due MarCO CubeSat trasmettono informazioni sull'atterraggio sulla Terra. Proprio come RainCube, MarCO è principalmente una dimostrazione di tecnologia; testerebbe come le future missioni potrebbero utilizzare CubeSats per portare con sé relè di comunicazione, consentendo ai ricercatori di sapere cosa sta succedendo sul campo molto più velocemente.

Il design di MarCO non assomiglia per niente a una tipica antenna. Al posto di un piatto rotondo ci sono tre pannelli piatti punteggiati di materiale riflettente. La forma e le dimensioni di questi punti formano anelli concentrici che imitano la curva di un piatto. Proprio come potrebbe un piatto, questo mosaico di punti focalizza il segnale irradiato dall'alimentazione dell'antenna verso la Terra.

"Nuove tecnologie come queste consentono alla NASA e al JPL di fare di più con meno, " ha detto John Baker di JPL, responsabile del programma per MarCO. "Vogliamo rendere possibile esplorare ovunque vogliamo nel sistema solare".

Sia RainCube che MarCO evidenziano soluzioni creative ai limiti delle dimensioni di CubeSats. Il prossimo trucco per Chahat e i suoi colleghi sarà combinare questi progetti in un'antenna ancora più grande:un riflettore che misura 3,3 piedi per 3,3 piedi (1 metro per 1 metro) e composto da 15 pannelli piatti. Questi pannelli segmentati si dispiegherebbero come la superficie piana di MarCo, mentre l'alimentazione dell'antenna si telescoperebbe come l'antenna di RainCube. Questa antenna si chiamerebbe OMERA, abbreviazione di One Meter Reflectarray.

"Se possiamo estendere la tecnologia a un metro di dimensione, l'antenna OMERA spingerà i limiti di ciò che può essere praticamente volato oggi su un CubeSat, " ha detto Tom Cwik, manager della tecnologia spaziale presso JPL.

Un prototipo dell'OMERA CubeSat dovrebbe essere pronto entro marzo 2017.

"L'array più grande di OMERA produrrà un guadagno maggiore per le applicazioni di telecomunicazioni, o produrrà larghezze di raggio più strette per le esigenze delle scienze della Terra, "Ha detto Chahat. Ciò significa che saremo in grado di avventurarci ancora più lontano nello spazio profondo e avremo radar ancora più potenti e precisi."