Piccoli satelliti, alcuni più piccoli di una scatola da scarpe, stanno attualmente orbitando a circa 200 miglia sopra la Terra, raccogliere dati sul nostro pianeta e sull'universo. Non è solo la loro bassa statura, ma anche il costo inferiore che li accompagna a distinguerli dai satelliti commerciali più grandi che trasmettono telefonate e segnali GPS in tutto il mondo, ad esempio. Questi SmallSat sono pronti a cambiare il modo in cui facciamo scienza dallo spazio. Il loro prezzo più basso significa che possiamo lanciarne di più, consentendo costellazioni di misurazioni simultanee da diverse posizioni di visualizzazione più volte al giorno - una quantità di dati che sarebbe proibitiva in termini di costi con i tradizionali, piattaforme più grandi.

Chiamato SmallSats, questi dispositivi possono variare dalle dimensioni di grandi frigoriferi da cucina fino alle dimensioni di palline da golf. I nanosatelliti si trovano su quell'estremità più piccola dello spettro, peso compreso tra uno e 10 chilogrammi e la dimensione media di una pagnotta di pane.

A partire dal 1999, i professori delle università di Stanford e del Politecnico della California hanno stabilito uno standard per i nanosatelliti. Hanno ideato un sistema modulare, con unità nominali (1U cubi) di 10x10x10 centimetri e 1kg di peso. I CubeSat crescono di dimensioni per l'agglomerazione di queste unità:1,5U, 2U, 3U, 6U e così via. Poiché CubeSats può essere costruito con parti commerciali standard, il loro sviluppo ha reso l'esplorazione dello spazio accessibile a molte persone e organizzazioni, soprattutto studenti, college e università. L'aumento dell'accesso ha consentito anche a vari paesi, tra cui la Colombia, Polonia, Estonia, Ungheria, Romania e Pakistan – per lanciare CubeSats come primi satelliti e aprire la strada ai loro programmi di esplorazione spaziale.

I CubeSat iniziali sono stati progettati come strumenti educativi e proof-of-concept tecnologici, dimostrando la loro capacità di volare ed eseguire le operazioni necessarie nel duro ambiente spaziale. Come tutti gli esploratori spaziali, devono fare i conti con condizioni di vuoto, radiazione cosmica, ampie oscillazioni di temperatura, alta velocità, ossigeno atomico e altro ancora. Con quasi 500 lanci fino ad oggi, hanno anche sollevato preoccupazioni sulla crescente quantità di "spazzatura spaziale" in orbita attorno alla Terra, soprattutto perché sono quasi alla portata degli hobbisti. Ma man mano che le capacità di questi nanosatelliti aumentano e i loro possibili contributi crescono, hanno guadagnato il loro posto nello spazio.

Dalla prova del concetto alle applicazioni scientifiche

Quando si pensa ai satelliti artificiali, dobbiamo fare una distinzione tra il veicolo spaziale stesso (spesso chiamato "bus satellitare") e il carico utile (solitamente uno strumento scientifico, telecamere o componenti attivi con funzioni molto specifiche). Tipicamente, la dimensione di un veicolo spaziale determina quanto può trasportare e operare come carico utile scientifico. Man mano che la tecnologia migliora, le piccole astronavi diventano sempre più capaci di supportare strumenti sempre più sofisticati.

Questi avanzati payload di nanosatelliti significano che gli SmallSat sono cresciuti e possono ora contribuire ad aumentare la nostra conoscenza della Terra e dell'universo. Questa rivoluzione è ben avviata; molte organizzazioni governative, aziende private e fondazioni stanno investendo nella progettazione di autobus e payload CubeSat che mirano a rispondere a domande scientifiche specifiche, che copre una vasta gamma di scienze tra cui tempo e clima sulla Terra, tempo spaziale e raggi cosmici, esplorazione planetaria e molto altro ancora. Possono anche fungere da esploratori per missioni satellitari più grandi e costose che affronteranno queste domande.

Sto guidando una squadra qui all'Università del Maryland, Contea di Baltimora che sta collaborando su un veicolo spaziale CubeSat incentrato sulla scienza. Il nostro carico utile Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) è progettato per osservare le interazioni tra nuvole e aerosol - piccole particelle come inquinamento, polvere, sale marino o polline, sospesi nell'atmosfera terrestre. HARP è pronto per essere il primo polarimetro per immagini degli Stati Uniti nello spazio. È un esempio del tipo di strumento scientifico avanzato che non sarebbe stato possibile stipare su un piccolo CubeSat nei loro primi giorni.

Finanziato dall'ufficio per le tecnologie delle scienze della terra della NASA, HARP cavalcherà il veicolo spaziale CubeSat sviluppato dallo Space Dynamics Lab della Utah State University. Rompendo la tradizione dell'utilizzo di parti di consumo standard per i payload CubeSat, il team HARP ha adottato un approccio diverso. Abbiamo ottimizzato il nostro strumento con parti progettate e realizzate su misura specializzate per eseguire il delicato multi-angolo, misurazioni di polarizzazione multispettrale richieste dagli obiettivi scientifici di HARP.

Il lancio di HARP è attualmente previsto per giugno 2017 sulla Stazione Spaziale Internazionale. Di lì a poco verrà rilasciato e diventerà completamente autonomo, satellite di raccolta dati.

SmallSats – grande scienza

HARP è progettato per vedere come gli aerosol interagiscono con le goccioline d'acqua e le particelle di ghiaccio che compongono le nuvole. Gli aerosol e le nuvole sono profondamente collegati nell'atmosfera terrestre:sono particelle di aerosol che seminano goccioline di nuvole e consentono loro di crescere in nuvole che alla fine lasciano cadere le loro precipitazioni.

Questa interdipendenza implica che modificando la quantità e il tipo di particelle nell'atmosfera, attraverso l'inquinamento atmosferico, influenzerà il tipo, dimensione e durata delle nuvole, così come quando iniziano le precipitazioni. Questi processi influenzeranno il ciclo globale dell'acqua della Terra, bilancio energetico e clima.

Quando la luce solare interagisce con particelle di aerosol o goccioline di nuvole nell'atmosfera, si disperde in direzioni diverse a seconda delle dimensioni, forma e composizione di ciò che incontra. HARP misurerà la luce diffusa che può essere vista dallo spazio. Saremo in grado di fare inferenze sulla quantità di aerosol e le dimensioni delle goccioline nell'atmosfera, e confrontare le nuvole pulite con le nuvole inquinate.

In linea di principio, lo strumento HARP avrebbe la capacità di raccogliere dati quotidianamente, coprendo l'intero globo; nonostante le sue dimensioni ridotte, raccoglierebbe enormi quantità di dati per l'osservazione della Terra. Questo tipo di capacità è senza precedenti in un piccolo satellite e punta al futuro di più economici, precursori esploratori più veloci da schierare in missioni più grandi e complesse.

HARP è uno dei numerosi programmi attualmente in corso che sfruttano i vantaggi di CubeSats per la raccolta di dati scientifici. NASA, università e altre istituzioni stanno esplorando nuove tecnologie per le scienze della terra, Il ciclo radiativo terrestre, Emissione di microonde della Terra, nuvole di ghiaccio e molte altre sfide scientifiche e ingegneristiche. Più recentemente il MIT è stato finanziato per lanciare una costellazione di 12 CubeSat chiamata TROPICS per studiare le precipitazioni e l'intensità delle tempeste nell'atmosfera terrestre.

Per adesso, le dimensioni contano ancora

Ma la natura di CubeSats limita ancora la scienza che possono fare. Limitazioni al potere, stoccaggio e, più importante, la capacità di trasmettere le informazioni sulla Terra impedisce la nostra capacità di eseguire continuamente il nostro strumento HARP all'interno di una piattaforma CubeSat.

Quindi, come un'altra parte del nostro sforzo, osserveremo come fa HARP mentre fa le sue osservazioni scientifiche. Qui all'UMBC abbiamo creato il Centro per gli studi sulla Terra e lo spazio per studiare quanto i piccoli satelliti riescono a rispondere alle domande scientifiche riguardanti i sistemi terrestri e lo spazio. È qui che i dati grezzi di HARP verranno convertiti e interpretati. Oltre a rispondere a domande sulle interazioni cloud/aerosol, il prossimo obiettivo è determinare come utilizzare al meglio SmallSats e altre tecnologie per le applicazioni delle scienze della Terra e dello spazio. Vedere cosa funziona e cosa no aiuterà a informare le missioni spaziali più grandi e le operazioni future.

La rivoluzione SmallSat, potenziato dal popolare accesso allo spazio tramite CubeSats, ora sta correndo verso la prossima rivoluzione. La prossima generazione di payload di nanosatelliti farà avanzare le frontiere della scienza. Potrebbero non sostituire mai la necessità di satelliti più grandi e potenti, ma NanoSats continuerà ad espandere il proprio ruolo nella corsa in corso per esplorare la Terra e l'universo.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.