Nós somos a UERJ Sats, a equipe de nanossatélites da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, e vamos participar da Missão Kurumin, uma competição organizada pela equipe Zenith com o tema "Jornada Lunar". O desafio é desenvolver um satélite que será lançado por um balão estratosférico, capaz de atingir uma altitude de até 30 km, e cuja carga útil seja relacionada à Lua. A competição ocorrerá em São Carlos, SP, no dia 19 de outubro, e a equipe UERJ Sats estará participando com seu CubeSat 1U, o Bertola-1.
Foto da Equipe UERJ Sats, no CubeDesign 2024.
O que é um CubeSat?
Um CubeSat é um tipo de nanossatélite padronizado que foi originalmente desenvolvido para fins educacionais e de pesquisa. Seu formato modular é composto de unidades de 10 cm x 10 cm x 10 cm, com um peso máximo de 1,33 kg por unidade (U). O "1U" indica que o CubeSat é composto de uma única unidade, mas eles podem ser combinados para formar satélites maiores, como 2U, 3U, ou até 12U, dependendo dos requisitos da missão. Os CubeSats são projetados para serem lançados em órbita por meio de veículos lançadores, como foguetes ou balões estratosféricos, e são amplamente utilizados por universidades, empresas e agências espaciais para experimentos científicos, desenvolvimento de novas tecnologias e missões de observação da Terra. A simplicidade e o baixo custo dos CubeSats tornaram o espaço mais acessível para diversas instituições ao redor do mundo.
Cubesat 3U, da Equipe UERJ Sats, na Latin American Space Challenge 2023.
Desenvolvimento de um CubeSat 1U para a Missão Kurumim
A missão Kurumin é dividida em 3 fases:
1ª Fase:
A equipe se inscreve através de um formulário e submete um relatório indicando em qual categoria deseja participar, qual é a missão do satélite, qual o custo do satélite e quais sensores serão utilizados. A Zenith avalia o relatório para determinar se a equipe está apta a passar para a 2ª fase.
Alguns requisitos da competição:
Requisito 1: Formato do Cubesat deverá ser 100 x 100 x 100 mm
Requisito 2: Massa máxima do Cubesat é 500g
Requisito 3: O satélite deve ser capaz de operar a 35km de altitude, possuindo isola-mento térmico para componentes sensíveis à temperatura.
Requisito 4: O satélite deve ser capaz de coletar e armazenar dados de telemetria
Durante o voo, especificamente:
1. Status da bateria;
2. Pressão;
3. Temperatura;
4. Atitude e acelerômetro;
5. Demais itens pertinentes à missão.
2ª Fase:
A equipe submete um relatório detalhando como o satélite foi construído, os resultados dos testes realizados, e preenche uma ficha de envio do satélite, informando sua massa e se há algum cuidado específico que deve ser tomado para a missão antes do lançamento.
Após isso, as equipes devem se reunir no dia 19/10, na USP de São Carlos, para a competição.
Durante a competição, o CubeSat Bertola-1 será lançado por meio de um balão estratosférico, utilizado para pesquisas científicas, meteorológicas e missões de teste. Esse balão, preenchido com hélio ou hidrogênio, transporta instrumentos para coleta de dados atmosféricos, observação espacial ou testes tecnológicos. Na competição, o CubeSat será preso a uma plataforma acoplada ao balão, com os demais satélites participantes. Esse balão pode alcançar até 30 km de altitude. A equipe acompanhará as informações do satélite em tempo real via rádio. Os satélites serão avaliados com base no relatório da 2ª fase e no relatório da 3ª fase.
Equipe UERJ Sats lançando Balão Estratosférico na Mostra Espacial do RJ em 2023.
3ª Fase:
A equipe deverá submeter um relatório após o lançamento, apresentando os dados recebidos, o que foi observado durante o voo, e se a missão foi concluída com sucesso.
Nosso CubeSat levará uma cultura de microalgas Chlorella vulgaris como carga útil, com o objetivo de avaliar, em tempo real, o crescimento do cultivo durante o lançamento. A Chlorella vulgaris é uma microalga verde de água doce amplamente utilizada devido ao seu alto valor nutricional e potencial biotecnológico. Rica em proteínas, vitaminas, minerais e antioxidantes, ela é conhecida por suas propriedades desintoxicantes e por ajudar na remoção de metais pesados do corpo. Além disso, a Chlorella é usada em biocombustíveis, tratamento de águas residuais e como suplemento alimentar. Ela também é estudada por seu potencial em projetos de bioregeneração em missões espaciais, devido à sua capacidade de fotossíntese e produção de oxigênio.
Microalgas Chlorella Vulgaris.
No contexto do voo, as microalgas estão sendo transportadas dentro de uma cubeta como parte de um experimento.
Durante a missão, um colorímetro será utilizado para coletar dados sobre possíveis alterações nas características ópticas das microalgas, que podem indicar mudanças em suas propriedades biológicas, como crescimento, pigmentação ou viabilidade celular. A ideia é que a exposição às condições do voo, como variações de pressão, temperatura e radiação, possa influenciar o comportamento das microalgas, gerando dados relevantes para entender como esses organismos podem ser utilizados ou preservados em ambientes espaciais ou extremos. O CubeSat também está equipado com GPS, sensores de aceleração, giroscópio, pressão, umidade, temperatura e um módulo de rádio, que permitirá o monitoramento das condições ambientais durante a missão.
Cubeta usada no experimento para avaliação em tempo real do crescimento do cultivo de microalgas durante o lançamento do CubeSat.
Inspirado no icônico Oozaru de Dragon Ball, que simboliza a poderosa transformação de Goku ao contemplar a Lua cheia, o nosso patch de missão representa nossa determinação feroz e a capacidade de superar os maiores desafios.
Ao fundo, a majestosa Lua nos lembra do tema da missão. Ao seu lado, o CubeSat em órbita representa o Bertola-1, o CubeSat 1U desenvolvido pela equipe especialmente para essa missão. Este satélite é uma homenagem ao Thieplo Bertola, técnico do Laboratório Larisa, que nos ajudou muito na confecção dos nossos satélites este ano.
Patch da Missão Oozaru, que apresentará o Bertola-1 na competição da Zenith
Objetivos da Missão
O objetivo geral da missão é coletar dados sobre o comportamento das microalgas durante o voo, utilizando um colorímetro desenvolvido pela própria equipe.
A calibração do colorímetro desenvolvido e construído pela UERJ Sats foi realizada comparando as medições de sete amostras de cultivo de microalgas com diferentes densidades (variando de 10⁶ a 10⁷ algas/mL). As medições do sensor de luz OPT101 (mV) foram comparadas, utilizando regressão linear, com: (i) medições realizadas em um equipamento de espectrofotometria de bancada da HACH (DR 5000 UV/visível, Hach) por Absorbância (λ=682 nm); e (ii) contagens de microalgas (algas/mL) utilizando um microscópio óptico Nikon (modelo Ellipse E200, Tóquio, Japão) com ampliação de 400x em uma câmara de Neubauer.
A montagem eletrônica e estrutural do colorímetro foi realizada utilizando os seguintes componentes: sensor de luz OPT101, LED vermelho, resistor de 210 Ω, e o corpo do equipamento foi impresso em 3D.
Colorímetro para a análise das microalgas.
A equipe pretende investigar possíveis alterações nas microalgas, uma vez que essas mudanças podem fornecer informações importantes para futuras pesquisas científicas. Este tipo de estudo é essencial, pois pode revelar como esses organismos reagem a diferentes condições ambientais e à exposição a fatores como mudanças de pressão e temperatura durante o voo.
Requisitos Técnicos e Funcionais
Para alcançar os objetivos da missão, foram definidos requisitos técnicos e funcionais específicos para o desenvolvimento do Bertola-1. Aqui estão alguns dos aspectos mais importantes:
Sistema de Comunicação: O sistema de comunicação do CubeSat conta com duas Placas WiFi LoRa 32 - ESP32 e duas antenas confeccionadas pela própria equipe. Confeccionamos as antenas para aumentar o alcance do rádio, já que o balão vai chegar a 30 km de altitude.
Além de alcançar maiores distâncias, uma antena customizada também pode melhorar o RSSI (Received Signal Strength Indicator), que mede a intensidade do sinal recebido. Quando se utiliza a antena padrão do módulo Heltec WiFi LoRa 32 (ESP32), o RSSI pode ser suficiente para distâncias curtas, mas em longas distâncias ou ambientes com obstáculos, a intensidade do sinal tende a diminuir, resultando em um RSSI mais baixo.
Valores do RSSI:
0 a -50 dBm: Sinal muito forte
-50 a -80 dBm: Sinal bom
-80 a -100 dBm: Sinal razoável
-100 a -120 dBm: Sinal fraco
Ao desenvolver uma antena otimizada, como a que foi criada pela equipe, é possível aumentar o ganho da antena, o que melhora a recepção do sinal e, consequentemente, o RSSI. Com um RSSI maior, a comunicação se torna mais estável e confiável, mesmo em distâncias maiores ou em condições adversas, como interferência ou obstáculos no caminho do sinal. Isso garante que os dados sejam transmitidos com maior qualidade e consistência.
Teste de Telemetria.
Antena da base durante o teste de telemetria.
Autonomia Energética: Para garantir a autonomia energética durante toda a missão, o CubeSat será equipado com três baterias de lítio. Aqui está um comparativo entre a bateria escolhida e outras baterias de lítio com menor capacidade, considerando suas características técnicas e adequação para missão como a do CubeSat:
BAP 18650B (3,7V, 2000 mAh):
Capacidade: 2.000 mAh
Tensão nominal: 3,7 V
Peso: Aproximadamente 45 g
Samsung ICR18650-22P (modelo escolhido):
Capacidade: 2.200 mAh
Tensão nominal: 3,7 V
Peso: 45 g
Bateria Lítio 18650 Recarregável Tipo C:
Capacidade nominal: 2000 mAh
Tensão nominal: 3,7 V
Peso: Aproximadamente 45-50 g
O modelo de bateria escolhido para o CubeSat é a Samsung ICR18650-22P, com capacidade de 2.200 mAh. A escolha dessa bateria se deve à sua alta eficiência, confiabilidade e bom custo-benefício, o que garante que todos os componentes eletrônicos do CubeSat operem de forma contínua e eficiente durante toda a missão.
Teste com multímetro para verificar a tensão na placa.
Desafios e Soluções
O desenvolvimento de um CubeSat 1U para esta competição traz uma série de desafios, sendo um dos principais o peso e espaço limitados. O CubeSat precisa ser compacto e leve o suficiente para ser lançado em um balão estratosférico, atendendo aos requisitos da competição.
Para superar esses desafios, a equipe se concentrou em encontrar um equilíbrio entre a funcionalidade e as restrições de tamanho e peso, selecionando cuidadosamente cada componente.
A escolha dos componentes do CubeSat foi baseada na necessidade de atender aos objetivos da missão e superar os desafios técnicos. Aqui estão os componentes cruciais selecionados:
Computador de Bordo
Sensor de Pressão BMP280: Este sensor será utilizado para medir a pressão atmosférica e calcular a altitude do CubeSat durante o voo. A precisão do BMP280 é fundamental para a coleta de dados ambientais precisos, que serão utilizados para análise pós-voo.
Placa WiFi LoRa 32 - ESP32 / LoRa / Display OLED (Computador de Bordo e Telemetria): O ESP 32 será o cérebro do CubeSat, responsável por controlar os sistemas, coletar dados dos sensores e enviar telemetria em tempo real via LoRa, usando uma frequência de 915 Mhz.
GPS NEO 6M (Sensor GPS): Este módulo GPS fornece informações precisas de latitude e longitude, essenciais para rastrear a posição do CubeSat durante o voo e para a análise pós-voo.
DHT22 (Sensor de Temperatura e Umidade): O sensor DHT22 será utilizado para monitorar a temperatura e umidade dentro do CubeSat, fornecendo dados sobre o ambiente interno durante o voo. Esses dados são importantes para entender como as condições internas podem afetar as microalgas.
MPU6050 (Sensor de Giro e Aceleração): Este sensor será responsável por medir o giro e a aceleração do CubeSat durante o voo. A coleta desses dados é essencial para entender o movimento e a orientação do CubeSat durante o lançamento e voo.
OPT101: O OPT101 é um sensor de luz que já vem com um amplificador embutido, facilitando a detecção de luz em diferentes situações, utilizamos ele para o monitoramento das microalgas.
Placa de Computador de Bordo.
Fluxograma do código do computador de bordo.
Suprimento de Energia:
Arduino Nano (Suprimento de Energia): O Arduino Nano é o microcontrolador responsável pelo subsistema de suprimento de energia, onde os sensores de temperatura e tensão e corrente estão conectados.
INA219 (Sensor de tensão e corrente): Essencial para acompanharmos o Status da Bateria em tempo real, que é um requisito da competição.
Módulo Regulador de Tensão Step Down LM2596: Como estamos usando 3 baterias em série, precisamos desse módulo para regular a tensão para 5V pra alimentar as duas placas.
Sensores de Temperatura LM35: Utilizamos esses sensores colados nas baterias de lítio, para verificarmos a temperatura de cada bateria individualmente.
Placa de Suprimento de Energia.
Fluxograma do código de Suprimento de Energia.
Abaixo temos a foto do teste de integração, para ver se a eletrônica, baterias e missão cabiam na estrutura do Bertola-1.
Integração da eletrônica na estrutura do Cubesat Bertola-1.
Conclusão
O desenvolvimento do Bertola-1 para a Missão Kurumim é um desafio emocionante que combina inovação, engenharia e pesquisa científica. Com a seleção cuidadosa de componentes e o foco em superar os desafios técnicos da competição, a equipe espera que a missão seja um sucesso. Além de coletar dados sobre as microalgas durante o voo, a missão também proporcionará uma oportunidade única para a UERJ Sats aprimorar suas habilidades em telemetria e contribuir para o crescimento da equipe.
Fique atento para mais atualizações sobre a Missão Kurumim e como a nossa equipe está se preparando para essa competição emocionante!
