Dietro ogni previsione del tempo, dal tuo locale, previsione di cinque giorni per un aggiornamento della traccia dell'uragano in ritardo:sono i satelliti che li rendono possibili. Le agenzie governative dipendono dalle osservazioni dei satelliti meteorologici per informare i modelli di previsione che ci aiutano a prepararci per le tempeste in arrivo e identificare le aree che necessitano di evacuazione o di pronto intervento di emergenza.

I satelliti meteorologici sono stati tradizionalmente grandi, sia nello sforzo necessario per costruirli sia nelle dimensioni reali. Possono essere necessari diversi anni per essere costruiti e possono essere grandi quanto un piccolo scuolabus. Ma tutto ciò potrebbe cambiare in futuro con l'aiuto di un satellite delle dimensioni di una scatola da scarpe che inizierà a orbitare intorno alla Terra alla fine di questo mese.

Il CubeSat finanziato dalla NASA, chiamato Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA), sarà lanciato nell'orbita terrestre dal razzo che trasporta nello spazio il prossimo grande satellite meteorologico degli Stati Uniti (JPSS-1) della NOAA. MiRaTA è progettato per dimostrare che un piccolo satellite può trasportare una tecnologia strumentale in grado di ridurre il costo e le dimensioni dei futuri satelliti meteorologici e ha il potenziale per raccogliere regolarmente dati meteorologici affidabili.

I radiometri a microonde sono uno degli strumenti da lavoro a bordo dei satelliti meteorologici di oggi. Questi strumenti sensibili misurano i segnali a radiofrequenza relativi alla radiazione termica emessa dai gas atmosferici, come ossigeno molecolare e vapore acqueo, e rileva anche particelle come il ghiaccio delle nuvole. Questi dati sono input chiave per i modelli che tengono traccia di tempeste e altri eventi meteorologici. La calibrazione di questi radiometri è importante per evitare che si muovano in modo che i loro dati possano essere utilizzati per modelli meteorologici e climatici accurati. Perciò, un bersaglio di calibrazione è solitamente incluso nel satellite per aiutare il radiometro a mantenere la sua precisione.

La miniaturizzazione degli strumenti radiometrici a microonde per adattarsi a un CubeSat porta alla sfida di trovare uno strumento di calibrazione che non sia solo accurato ma anche compatto, disse Kerri Cahoy, investigatore principale per MiRaTA e professore associato presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica del Massachusetts Institute of Technology. "Non hai spazio per gli ingombranti target di calibrazione che useresti normalmente su satelliti più grandi, " Ha detto Cahoy. "I target di calibrazione del radiometro a microonde su satelliti più grandi possono essere delle dimensioni di un tostapane, ma per CubeSat, dovrebbe essere delle dimensioni di un mazzo di carte."

Cahoy e il suo collega William Blackwell, lo strumento del radiometro a microonde al MIT Lincoln Laboratory, hanno trovato una soluzione basata su una tecnica che ha studiato alla scuola di specializzazione chiamata radio occultation (RO), per cui i segnali radio ricevuti dai satelliti GPS in un'orbita più alta vengono utilizzati per misurare la temperatura dello stesso volume di atmosfera che sta visualizzando il radiometro. La misurazione della temperatura GPS-RO può quindi essere utilizzata per calibrare il radiometro.

"Nella lezione di fisica, impari che una matita immersa nell'acqua sembra spezzata a metà perché la luce si piega in modo diverso nell'acqua che nell'aria, " Cahoy ha detto. "Le onde radio sono come la luce in quanto si rifrangono quando attraversano le mutevoli densità dell'aria, e possiamo usare la grandezza della rifrazione per calcolare la temperatura dell'atmosfera circostante con una precisione quasi perfetta e usarla per calibrare un radiometro".

Nel 2012 il programma In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) della NASA ha emesso una richiesta di proposte di dimostrazione tecnologica, che spinse Blackwell e Cahoy, che allora insegnava al MIT, hanno messo alla prova la loro teoria offrendo un progetto agli studenti di Cahoy nella sua classe di sensori e strumentazione per determinare se l'idea fosse fattibile. Quando due studenti hanno dimostrato attraverso la modellazione al computer che l'occultazione radio potrebbe effettivamente funzionare per la calibrazione del radiometro, Cahoy e Blackwell hanno chiesto a Rebecca Bishop di The Aerospace Corporation, che ha sviluppato ricevitori GPS-RO per CubeSats, per entrare a far parte della squadra. Hanno quindi presentato una proposta completa per MiRaTA alla NASA, che ha dato il via libera al finanziamento nella primavera del 2013.

Costruire MiRaTA è stato un lavoro di squadra. Bishop ha modificato un prodotto standard, ricevitore GPS a basso costo per effettuare le misure di occultamento radio per la calibrazione; Il MIT Lincoln Laboratory e l'Università del Massachusetts Amherst hanno applicato le loro competenze ingegneristiche per miniaturizzare ulteriormente il radiometro a microonde; e Cahoy e il suo team di studenti, guidati da mentori esperti al MIT Lincoln, costruito il satellite che avrebbe ospitato tutto.

"Costruire un CubeSat può essere difficile perché devi mettere le batterie, una radio, un computer, i tuoi strumenti, ruote che giri per ribaltare e girare il tuo satellite, e pannelli solari e antenne piegati in uno spazio molto piccolo, " Ha detto Cahoy. "E stai usando l'equivalente spaziale di scotch e colla super per limitare questo pasticcio di fili e connettori e farlo entrare nel suo alloggiamento.

"Ma, "Cahoy ha aggiunto, "Il duro lavoro sarà davvero ripagato da ottimi dati scientifici se tutto andrà come previsto".

Nella migliore delle ipotesi, tre settimane dopo il lancio MiRaTA sarà pienamente operativo, ed entro tre mesi il team avrà ottenuto i dati di validazione sia dal radiometro che dal ricevitore GPS. Il grande obiettivo della missione - dichiarare la dimostrazione tecnologica un successo - sarebbe confermato un po' più avanti, almeno mezzo anno di distanza, a seguito dell'analisi dei dati.

Se la convalida della tecnologia di MiRaTA ha successo, Cahoy ha detto che immagina un'eventuale costellazione di questi CubeSat in orbita attorno all'intera Terra, scattare istantanee dello stato dell'atmosfera e del tempo ogni 15 minuti, abbastanza frequenti da tenere traccia delle tempeste, dalle bufere di neve agli uragani, in tempo reale. "Il nostro obiettivo è fare in modo che i nostri radiometri funzionino esattamente come quelli degli attuali satelliti meteorologici ed essere in grado di fornire il tipo di dati che aiutino le agenzie e le persone nel percorso di un disastro naturale a prepararsi in anticipo e con saggezza, " lei disse.

"Questa è una missione molto eccitante in quanto sarà la prima dimostrazione in orbita di un all-weather, radiometro a tre frequenze CubeSat che utilizza la calibrazione atmosferica basata su GPS-RO, ", ha affermato Charles Norton del Jet Propulsion Laboratory della NASA, un associato di programma presso l'Earth Science Technology Office (ESTO) della NASA e il task manager per MiRaTA. "È una vera testimonianza della creatività e dell'innovazione dei team coinvolti che stanno facendo progredire le tecnologie di misurazione per le future missioni di costellazioni di piccoli satelliti, " Egli ha detto, aggiungendo che lo Space Dynamics Laboratory della Utah State University e la NASA Wallops Flight Facility stanno supportando la stazione di terra e le operazioni di missione per il CubeSat.

MiRaTA e altre missioni InVEST di Scienze della Terra sono finanziate e gestite dal programma ESTO della NASA nella Divisione di Scienze della Terra della NASA. ESTO supporta i tecnologi nei centri della NASA, l'industria e il mondo accademico per sviluppare, perfezionare e dimostrare nuovi metodi per osservare la Terra dallo spazio, dai sistemi informativi ai nuovi componenti e strumenti.

Piccoli satelliti, inclusi CubeSat, svolgono un ruolo sempre più importante nell'esplorazione, dimostrazione di tecnologia, ricerca scientifica e indagini educative presso la NASA, tra cui:esplorazione dello spazio planetario; osservazioni della Terra; scienze fondamentali della Terra e dello spazio; e lo sviluppo di strumenti scientifici precursori come comunicazioni laser all'avanguardia, comunicazioni da satellite a satellite e capacità di movimento autonomo.