Painéis Solares Personalizados para CubeSats: Uma Iniciativa Estudantil

Os CubeSats, ou satélites cúbicos, são satélites pequenos que estão se tornando populares para várias tarefas. Eles geralmente são usados para vigiar a Terra, fazer estudos científicos e facilitar a comunicação com outros satélites ou estações terrestres. Os CubeSats são feitos em tamanhos padrão, medidos em "unidades", onde cada 1U é um cubo de cerca de 10 cm de cada lado. Por serem mais baratos e mais fáceis de fazer do que os satélites tradicionais, cada vez mais CubeSats estão sendo lançados ao espaço.

A maioria dos CubeSats depende de Painéis Solares para energia. Esses painéis são normalmente comprados de fontes comerciais. No entanto, há uma lacuna no mercado para opções de código aberto, que não estão tão disponíveis. Para preencher essa lacuna, desenvolvemos um design de painéis solares acessíveis e personalizáveis que podem ser usados em CubeSats. Essa inovação é particularmente útil para projetos de estudantes, pois permite que eles criem seus próprios painéis, economizando grana e oferecendo uma experiência prática valiosa.

#Desafios com Painéis Solares Comerciais

Embora os painéis solares comerciais estejam prontamente disponíveis, eles têm suas limitações. Pode ser complicado encaixá-los com outras partes do satélite. Além disso, um painel solar padrão para um CubeSat 3U pode ser bem caro, muitas vezes custando dezenas de milhares de dólares. Esse custo alto pode desestimular estudantes e equipes menores de lançarem seus projetos. As despesas de mão de obra e desenvolvimento também aumentam significativamente o orçamento total.

Ao desenharem seus próprios painéis solares, os estudantes podem fabricá-los e testá-los, ajudando a reduzir custos e oferecendo oportunidades de treinamento para futuros engenheiros. A produção interna pode levar a designs mais robustos. Painéis personalizados podem ser configurados para oferecer o melhor desempenho e integrados mais facilmente em sistemas de satélites já existentes.

#O Projeto Northern SPIRIT

Em 2017, um grupo de estudantes de graduação da Universidade de Alberta lançou o Ex-Alta 1, seu primeiro CubeSat, que fez experimentos de magnetometria em órbita baixa da Terra. Aproveitando esse sucesso, decidiram trabalhar em uma constelação de satélites chamada Northern SPIRIT, fazendo parceria com estudantes da Yukon University e do Aurora Research Institute. Esse projeto recebeu financiamento da Agência Espacial Canadense e inclui três satélites: Ex-Alta 2, YukonSat e AuroraSat.

Um dos objetivos do Ex-Alta 2 era monitorar incêndios florestais, e outro era criar painéis solares para os três satélites. Como muitas soluções de código aberto não estavam disponíveis, a equipe dedicou uma quantidade significativa de tempo e recursos para desenvolver seus próprios designs de painéis solares. Esses painéis personalizados foram implantados com sucesso da Estação Espacial Internacional em abril de 2023, e aqui discutimos seu design e funcionalidade.

#Design e Funcionalidade dos Painéis Solares

Criamos um design de painel solar que pode ser personalizado para futuras missões de CubeSat. Esse design inclui os procedimentos de montagem, os resultados dos testes e planos futuros de melhoria. Antes do lançamento, os painéis passaram por testes rigorosos, incluindo condições de temperatura e vácuo, além de testes de vibração.

Nossos painéis solares foram organizados em um setup de despliegue em asa, que permitiu gerar energia suficiente para as necessidades do satélite. Cada painel no Ex-Alta 2 continha seis células solares, e usamos vários sensores para monitorar o desempenho. Os painéis foram dispostos para enfrentar a Terra, o que é importante para maximizar a energia solar.

#Processo de Montagem dos Painéis Solares

O processo de montagem dos nossos painéis solares foi desenvolvido para garantir que as células solares fossem fixadas corretamente, reduzindo o risco de problemas que poderiam surgir após o despliegue. Usamos um método de fita dupla face junto com uma técnica de costura para ajudar a evitar bolsas de ar que poderiam danificar as células solares. Esses métodos foram testados várias vezes para garantir a confiabilidade.

Os painéis foram construídos usando um processo cuidadoso para fixar as células às placas de circuito impresso (PCBs). Primeiro, cortamos a fita para se ajustar às células solares e as fixamos no lugar. Aplicamos adesivo com cuidado para evitar prender ar. Após a montagem, os painéis foram testados quanto ao desempenho elétrico para garantir que eram seguros e eficazes para uso no espaço.

#Testando os Painéis Solares

Testes rigorosos foram uma etapa crítica no desenvolvimento dos nossos painéis solares. Cada célula foi examinada em busca de defeitos e testada para geração de energia sob várias condições de iluminação. Utilizamos diferentes fontes de luz para simular como os painéis se comportariam no espaço e para garantir que atendessem às nossas expectativas de desempenho.

Os painéis montados foram então submetidos a testes adicionais para garantir que funcionassem corretamente em condições reais. Colocamos eles em uma câmara de vácuo para simular o espaço e realizamos testes funcionais para confirmar que poderiam operar como necessário. Essa avaliação minuciosa nos permitiu identificar quaisquer problemas antes do lançamento dos satélites.

#Avaliando os Riscos de Despliegue

Também precisávamos avaliar os riscos associados ao despliegue dos painéis solares. Se os painéis não forem desplegados corretamente, o satélite pode não gerar a energia necessária para operar. Para avaliar esse risco, consideramos diferentes cenários, incluindo o caso em que o despliegue dos painéis solares poderia falhar.

Para que os satélites funcionem corretamente, precisam completar várias tarefas, cada uma exigindo uma quantidade específica de energia. Medimos quanta energia seria gerada tanto em cenários de despliegue bem-sucedido quanto em falhas. Simulações mostraram que mesmo em casos de falha, os satélites ainda poderiam operar, embora sua funcionalidade seria limitada.

#Magnetorquers Integrados

Uma parte significativa do controle do satélite é manter sua orientação enquanto está em órbita. Isso normalmente é feito com sistemas de controle de atitude, que podem ser volumosos. Exploramos a possibilidade de integrar magnetorquers, que são bobinas que podem ajudar a orientar o satélite, diretamente nos painéis solares para economizar espaço.

Usar três magnetorquers posicionados em diferentes lados do satélite permite um controle eficaz de sua orientação. Os designs foram otimizados para maximizar sua eficiência, embora os magnetorquers não tenham sido incluídos no modelo de voo do Ex-Alta 2, já que o satélite usou sistemas padrão.

#Conclusão e Direções Futuras

Em resumo, conseguimos projetar e testar com sucesso painéis solares personalizáveis para CubeSats no projeto Northern SPIRIT. Nossa abordagem oferece uma alternativa acessível e prática às soluções pré-fabricadas, eliminando barreiras para missões de satélites lideradas por estudantes. Vamos continuar refinando esses designs para obter um melhor desempenho à medida que novas missões surgem.

Ao compartilhar nossos arquivos de design e procedimentos de montagem publicamente, queremos apoiar futuros projetos de CubeSat e promover iniciativas de código aberto na exploração espacial. Este projeto não só melhora as oportunidades educacionais para os estudantes, mas também contribui para o crescente campo da tecnologia espacial. À medida que olhamos para frente, nosso foco será melhorar design e funcionalidade, garantindo que atendamos às necessidades das próximas missões.