Equipo argentino nuevamente ganador en desafío sobre nanosatélites de la NASA.
QEBELS Network: Red satelital láser con tecnología blockchain y encriptación cuántica; una solución inspirada en la naturaleza.
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USSOCOM NASA CubeSat Challenge.
El equipo BioInspired Argentina, formado por Charly Karamanian y Alejandro Bollana, resultó ganador de uno de los cuatro premios otorgados en la categoría 3U por un jurado calificado teniendo en cuenta los siguientes criterios: Avances en la tecnología de CubeSat, grado de ayuda en las misiones de las fuerzas especiales, novedad, innovación y factibilidad técnica. Además los Argentinos resultaron únicos ganadores del People’s Choice Award, el premio del voto del público.
Charly y Alejandro nuevamente se inspiraron en la naturaleza; particularmente en el colibrí, el águila, las abejas, el escorpión y la libélula; creando una solución integral aplicando las siguientes tecnologías: Satélite repetidor laser geoestacionario, constelación de nano satélites del tipo CubeSat, blockchain, comunicación láser, fotónica integrada, propulsión por agua, drones, óptica compuesta, realidad aumentada, escáner de iris, conducción ósea del sonido y encriptación cuántica.
La solución QEBELS Network se destaca en las misiones de rescate y asistencia humanitaria tanto civiles como militares. Por ejemplo un equipo de rescate trabajando en una zona afectada por un incidente puede recibir todo tipo de información vital en tiempo real desde los CubeSats o drones directamente a sus cascos y poder ver mediante realidad aumentada (dentro del campo visual) un mapa tridimensional de la zona, incluyendo las siluetas de la personas atrapadas debajo de los escombros (tomadas por cámaras infrarrojas desde un dron), la ubicación de sus compañeros y todo tipo de información relacionada a variables climáticas, ambientales y de coordinación de la misión de rescate.
¿Qué son los CubeSats?
Los CubeSats están ganando popularidad entre la academia, la industria y los gobiernos. Los CubeSats son satélites en miniatura que se usan comúnmente en órbitas bajas de la Tierra, se han utilizado con fines educativos y, recientemente, para aplicaciones como la detección remota, la experimentación científica o las comunicaciones. A medida que los ingenieros se familiaricen con la tecnología, los CubeSats también se están considerando para vuelos fuera de la órbita de la Tierra, a lugares como la Luna, Marte o Júpiter.
Estos satélites pequeños cuestan mucho menos de construir, lanzar y operar que los satélites tradicionales. El menor costo permite una integración más rápida de la nueva tecnología y la experimentación con nuevos conceptos. El pequeño tamaño y peso reducen el costo de lanzamiento y permiten que el CubeSat comparta un cohete con un satélite más grande. CubeSat adhiere a un conjunto de estándares que se basan en conceptos de “Seguridad de vuelo” que “no dañarán” las cargas primarias, por lo que pueden volar con las cargas útiles más caras sobre la base de “espacio disponible”.
¿En qué consiste el desafío “CubeSat Challenge”?
El desafío conjunto entre NASA y USSOCOM busca el aporte de conceptos que avancen el estado de las tecnologías y cargas útiles actuales de los CubeSats (nanosatélites) y demuestren aplicaciones que puedan apoyar a las misiones de Fuerzas de Operaciones Especiales (SOF). Los conceptos deben ser viables para una demostración de prototipo dentro de los próximos 12 a 24 meses.
USSOCOM es el comando de combate unificado encargado de dotar, entrenar y equipar a los diversos comandos de operaciones especiales del ejército, el cuerpo de marines, la armada y la fuerza aérea de las fuerzas armadas de los Estados Unidos. Las actividades principales en el ámbito de las fuerzas de operaciones especiales incluyen: Acción directa, reconocimiento especial, guerra no convencional, defensa interna extranjera, operaciones de asuntos civiles, operaciones de apoyo a la información militar, lucha contra el terrorismo y proliferación de armas de destrucción masiva, asistencia de la fuerza de seguridad, contrainsurgencia, rescate y recuperación de rehenes y asistencia humanitaria extranjera.
Tecnologías propuestas por el equipo argentino.
Hoy en día, los activos aéreos y espaciales que utilizan Lidar (radar láser), sistemas de imágenes de alta resolución y sistemas de imágenes multiespectrales generan volúmenes enormes de datos que deben ser extraídos, procesados y redistribuidos a una gran cantidad de usuarios conectados a la red como un sistema integrado. El equipo Argentino propuso una solución integral aplicando y combinando las siguientes tecnologías:
Satélite Geoestacionario
+ Satélite de retransmisión láser geoestacionario: Los satélites de observación de órbita baja (LEO), sobrevuelan la tierra a unos 700 km del suelo, por lo que solo pueden transmitir datos cuando pasan por encima de una estación terrestres designada. Sin embargo estas estaciones terrestres son permanentemente visibles para los satélites geoestacionarios, orbitando a más a 36.000 km de altura. El uso de satélites de retransmisión geoestacionarios láser permite interconectar a los satélites de orbita baja con las estaciones terrestres y lograr transmisión de datos casi en tiempo real. Bioinspiración: vuelo estático del colibrí.
CubeSats (nanosatélites)
+ “Enjambre” de CubeSats. El uso de una constelación de CubeSats puede proporcionar una amplia cobertura y soporte para ubicaciones terrestres y misiones de USSOCOM. El equipo argentino propuso desplegar un red de CubeSats del tipo 1.5 (una vez y media el tamaño de un CubeSat regular) que se lanzarán al espacio como carga secundaria. Cada CubeSat mide aproximadamente 10 centímetros x 10 centímetros x 17 centímetros y pesa aproximadamente 2.5 kilogramos. Bioinspiración: estrategia de comunicación de las abejas.
+ Propulsión mediante agua: Es una tecnología denominada propulsión de electro spray iónico que está siendo desarrollada por los laboratorios del MIT y utiliza las cualidades del espacio para hacer que el hielo se sublime o se transforme directamente de agua a vapor. Al dirigir estas moléculas de agua contra una placa caliente, la unidad hace que el vapor de agua se acelere por una boquilla, creando así empuje. La incorporación de un sistema de propulsión otorga la capacidad de modificar o mantener las órbitas. Para simplificar el diseño del CubeSat, el sistema de comunicación láser puede instalarse de manera fija y la dirección del haz se logra a través del movimiento de precisión de la nave en su totalidad. Además la capacidad de maniobrar los CubeSats abre la posibilidad de conformar constelaciones o redes en el espacio (enjambre).
+ Comunicación Láser (LaserCom). Permite gran velocidad de transferencia de datos, video de alta definición, otorga una precisión que mejorar las capacidades de navegación de los CubeSats y el haz del láser es difícil de interceptar. La comunicación óptica en el espacio libre (FSOC) que utiliza láser supera ampliamente las prestaciones de las comunicaciones actuales mediante radio frecuencia (RF). Los transmisores láser, funcionan en longitudes de onda unas 10.000 veces más cortas que las ondas de RF, producen haces mucho más estrechos para el mismo tamaño de abertura de la unidad, proporcionando una mayor capacidad de comunicación concentrada en el receptor con menor potencia transmitida desde aberturas más pequeñas y ligeras. El resultado es un menor tamaño, peso y requerimiento de potencia del equipamiento y del satélite.
+ Fotónica Integrada. Impulsado por desarrollos recientes en nanoestructuras, metamateriales y guías de ondas de silicio, la fotónica integrada tendrá un gran impacto en la evolución de las comunicaciones láser espaciales. La técnica litográficas para crear un circuito integrado fotónico (PIC: Photonic Integrated Circuit) es similar a la de la tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) que se utiliza en la fabricación de los microchips, pero utiliza componentes fotónicos que reemplazan a las conexiones eléctricas, logrando de esta manera reducir cien veces el tamaño, masa, requerimiento de potencia y especialmente el costo de producción, ya que los PICs pueden imprimirse en masa.
+ Tecnología Blockchain: El acceso no autorizado o la modificación de la información crítica de la misión de USSOCOM podría comprometer seriamente la seguridad nacional. Es de especial interés para la protección de la información sobre objetivos y activos militares. Permitirá comunicaciones avanzadas, incluyendo comando y control de órbita completa y mayor seguridad en la exfiltración de datos. El uso de Blockchain provee un registro de datos cronológicos, confiables y a prueba de manipulación. La tecnología Blockchain protege la seguridad contra ataques a la red satelital y al equipo de hardware al garantizar el acceso basado en el consenso para la modificación.
Dron militar “Reaper” y Dron S1000 para uso civil, mejorados con LaserCom.
+ ARGUS-IS. La tecnología actual de los drones Reaper denominada ARGUS-IS (Autonomous Ground Ubiquitous Surveillance — Imaging System) proporciona a los usuarios militares una capacidad flexible para encontrar, rastrear y monitorear eventos y actividades de interés de manera continua en áreas de interés. ARGUS-IS proporciona una capacidad de vigilancia de área extensa persistente conocida como vista de águila, para apoyar a los usuarios tácticos en un espacio de batalla dinámico o dentro de un entorno urbano.
Casco USSOCOM (militar) y RAscue (civil). Inspirados en la naturaleza.
+ Receptor láser óptico compuesto: El uso de óptica compuesta fija (fotónica integrada) sobre el casco permite a USSOCOM recibir un enlace láser en movimiento desde cualquier dirección (Los CubeSats sobrevuelan el área rápidamente). Cada óptica simple proporciona una pequeña pieza del rompecabezas, muy similar a la forma en que el píxel de una pantalla proporciona un detalle de la imagen más grande. Desplegando los elementos ópticos sobre el casco obtenemos un área óptica receptora mayor a la de un telescopio Cassegrain de 15 pulgadas, con una fracción de su peso y logrando una portabilidad extrema. El diseño del casco fue realizado íntegramente por el equipo argentino inspirándose en el ojo compuesto de la libélula.
+ Emisor láser con “Gimbal” (estabilizador y seguidor): El láser de comunicaciones utilizado para enviar datos está montado sobre un “gimbal” (plataforma motorizada) que se encarga mediante un algoritmo de control y sensores (acelerómetros) de apuntar y seguir a CubeSats y Drones que sobrevuelan el área independientemente del movimiento que realice el portador del casco. Este concepto fue desarrollado por el equipo argentino inspirándose en el aguijón del escorpión.
+ Realidad aumentada: Los dispositivos de realidad aumentada (AR: Augmented Reality) del tipo “Google Glass” se convertirán en una pieza fundamental del equipamiento estándar de los escuadrones tácticos del futuro y proveerán la capacidad de rastrear digitalmente ubicaciones amigables y enemigas, mostrar mapas tridimensionales de campos de batalla y ver video en vivo tomado desde drones; todo en tiempo real. Si bien la tecnología ya existe, el desafío pasa por lograr transmitir un gran volumen de datos a todo el escuadrón de manera simultánea, sin interrupción, distracción y proteger los dispositivos contra el pirateo o la interferencia. El equipo argentino propuso una novedosa solución combinando las siguientes tecnologías: LaserCom, óptica compuesta, emisor láser con gimbal, tecnología Blockchain, escáner de iris, conducción ósea y la incorporación de tecnología de comunicación con cifrado cuántico.
+ Escaner de Iris: Para habilitar el uso del casco solo al soldado registrado en la Blockchain. El reconocimiento de iris es un método automatizado y bien desarrollado de identificación biométrica que utiliza técnicas matemáticas de reconocimiento de patrones en imágenes de video de uno de los iris de los ojos de un individuo, cuyos patrones complejos son únicos, estables y se pueden ver desde cierta distancia. Las plantillas digitales codificadas a partir de estos patrones mediante algoritmos matemáticos y estadísticos permiten la identificación inequívoca del individuo. Una ventaja clave del reconocimiento del iris, además de su velocidad y certeza, es la estabilidad del iris como un órgano del ojo interno y protegido, pero externamente visible.
+ Conducción ósea del sonido: Para proporcionar privacidad en las comunicaciones. El casco emplea tecnología de conducción ósea para transmitir audio al usuario a través de un transductor que se encuentra al lado del oído del usuario. El uso de la conducción ósea significa que cualquier contenido vocal que sea recibido por el soldado de USSOCOM es prácticamente inaudible por otras personas.
+ Comunicaciones con cifrado cuántico: Canal de comunicación ultra seguro. Los integrantes de USSOCOM pueden recibir y compartir una clave cifrada cuántica provista vía láser por la red de CubeSats o desde un Drone. De todas las tecnologías propuestas, la presente es la más novedosa y ya se encuentra en etapa experimental. Recientemente, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Shanghai tuvo la oportunidad de probar la idea de enviar partículas cuánticas entrelazadas desde el satélite Micius (llamado así en honor a un antiguo filósofo chino) a estaciones terrestres separadas por 1.200 kilómetros de distancia. Para entrelazar los fotones, los investigadores emitieron un láser ultravioleta a través de un cristal especial, que creó pares de fotones con estados de polarización opuestos, aunque desconocidos. Al hacerlo, crearon objetos llamados qubits o bits entrelazados cuánticamente. Los espejos luego dividen el rayo láser y sus pares de fotones entrelazados cuánticamente. El experimento mantuvo un fotón en el suelo y envió el otro a Micius. La comunicación cuántica es extremadamente segura porque cualquier interferencia es detectable. Dos partes pueden intercambiar mensajes secretos al compartir una clave de cifrado codificada en las propiedades de las partículas entrelazadas.
BioInspired Argentina.
Inspirados en la naturaleza, el mejor laboratorio de investigación y desarrollo jamás creado, con 3.800 millones de años de experiencia. La solución presentada por Charly Karamanian y Alejandro Bollana, fue inspirada en el colibrí, las abejas, el águila, el escorpión y la libélula.
Colibrí: En entornos naturales altamente complejos, llenos de movimientos de fondo, los colibríes pueden mantenerse con precisión en un lugar determinado mediante una rápida coordinación de la visión con la posición del cuerpo. Mientras flota, el sistema visual del colibrí es capaz de separar el movimiento aparente causado por el movimiento del propio colibrí de los movimientos causados por fuentes externas, como por ejemplo el de un depredador que se aproxima. Bioinspiración: Satélite de retransmisión laser geoestacionario. Posicionamiento avanzado, comunicación y referencia relativa entre los CubeSats.
Abejas: Se comunican mediante “el baile de las abejas” también conocido como “el baile del meneo de la cola”; una abeja obrera indica la ubicación y distancia de una fuente de alimento a otras obreras en su colmena. Las abejas pueden orientarse de tres maneras diferentes: por el sol, por el patrón de polarización del cielo azul y por el campo magnético de la tierra. El sol es la brújula preferida o principal; los otros mecanismos se usan bajo cielos nublados o dentro de la oscuridad de la colmena. Las abejas navegan utilizando la memoria espacial de manera muy similar al que solemos hacer mediante determinadas referencias visuales o el uso de mapas. Bioinspiración: Comunicación y posicionamiento de constelación (enjambres) de CubeSats.
Águila: El ojo del águila es uno de los más destacados dentro del reino animal, con una visión de larga distancia entre 6 a 8 veces más potente que la del humano promedio. La retina tiene un gran número de receptores por milímetro cuadrado, lo que determina el grado de agudeza visual. Cuanto más receptores tenga el animal, mayor resulta su habilidad para distinguir objetos individuales a la distancia. Se estima que un águila puede detectar un conejo a 3.2 km de distancia. Bioinspiración: Función “vista de águila” del Drone Reaper.
Escorpión: Fácilmente reconocibles por el par de pedipalpos (pinzas) de agarre y la cola estrecha y segmentada, a menudo llevada en una característica curva hacia adelante sobre la espalda, terminando con un aguijón venenoso. Bioinspiración: Precisión de la comunicación láser, ubicación y movimiento independiente del “gimbal” del emisor láser en el casco.
Libélula: Los ojos compuestos de una libélula adulta tienen casi 24,000 ommatidios cada uno. A diferencia de los humanos, las especies de libélulas voladoras tienen cuatro o cinco opsinas diferentes, lo que les permite ver colores que están más allá de las capacidades visuales humanas, como la luz ultravioleta (UV). Las libélulas (y las abejas) tienen los ojos compuestos más grandes entre los insectos; y los ojos cubren la mayor parte de su cabeza, asemejándose a un casco de motocicleta. En contraste con el ojo humano, cada faceta dentro del ojo compuesto apunta en una dirección ligeramente diferente y percibe la luz que emana de solo una dirección particular en el espacio, creando un mosaico de imágenes parcialmente superpuestas. Las libélulas también pueden detectar el plano de polarización de la luz y la utilizan como una especie de “brújula del cielo” para poder orientarse. Bioinspiración: disposición hexagonal de los elementos ópticos compuestos en el casco. Rango de comunicación ultravioleta (no visible a simple vista). Luz polarizada como fuente adicional de navegación.
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