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En 1526 participó como veedor designado por los armadores en la expedición de Sebastián Caboto, que se proponía alcanzar las Islas de las Especias viajando hacia el oeste. Él mismo había aportado una pequeña cantidad del capital necesario para la expedición, en la que su padre fue el mayor de los inversores después del rey. La expedición concluyó en Río de la Plata, donde Caboto abandonó la expedición. Tras cinco años «de muchas guerras y hambres y demasiados trabajos», según declaraba el propio Santa Cruz en un borrador del prólogo de su Islario general, abandonaron el río para regresar a España desde Veracruz, pasando por Bahamas «que fuimos los primeros que vinieron a pasar la dicha canal [de las Bahamas] para venir a España».
De regreso a Sevilla, según la misma relación autobiográfica, se dio al estudio de la astrología y la cosmografía. El Consejo de Indias reunió en 1533 al piloto mayor y otros miembros para examinar las cartas e instrumentos náuticos presentados por Santa Cruz. En 1535 comenzó su carrera como cosmógrafo en la Casa de la Contratación de Sevilla, con el cargo de «Cosmógrafo de hacer cartas y fabricar instrumentos para la navegación» y sólo un año después fue nombrado por la Corona «nuestro cosmógrafo» con la misión de examinar junto a Sebastián Caboto las cartas e instrumentos náuticos. Santa Cruz le enseñó al rey cosmografía y navegación. También en 1535 había inventado y ofrecido para su examen instrumentos y cartas náuticas y un instrumento para medir la longitud por las distancias de la Luna y los planetas. Un año más tarde inventó otro instrumento para calcular la longitud mediante la desviación de la brújula, confeccionando una carta de marear con indicaciones de desviación, lo que demuestra su insatisfacción con los sistemas de proyección cilíndricos, si bien se desconocen, al haberse perdido, las soluciones adoptadas.
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