Resumen:
Un nuevo motor de satélite que puede utilizar directamente la atmósfera superior de la Tierra como propulsor está atrayendo la atención de la industria aeroespacial.
Los investigadores creen que si la tecnología pertinente finalmente se prueba en el espacio, se espera que los futuros satélites funcionen en órbita terrestre ultrabaja durante mucho tiempo o incluso indefinidamente sin llevar combustible de propulsión tradicional.
El concepto surge del trabajo doctoral de Francesco Romano, investigador de la Universidad de Stuttgart en Alemania. La idea central es convertir las moléculas atmosféricas que originalmente ralentizaron el satélite en combustible para el sistema de propulsión, convirtiendo así los factores que obstaculizan el funcionamiento del satélite en la fuente de energía necesaria para mantener la órbita.
En la región de la órbita terrestre ultrabaja, que se encuentra entre 100 y 450 kilómetros de la Tierra, los satélites pueden obtener muchas ventajas únicas. Al estar más cerca del suelo, los equipos de teledetección pueden capturar imágenes más claras, y los sistemas de comunicación y radar requieren mucha menos energía. Al mismo tiempo, la resistencia atmosférica en esta zona también puede arrastrar naturalmente al satélite de regreso a la atmósfera y quemarlo después de ser desechado, reduciendo así el problema de la acumulación a largo plazo de desechos espaciales.
Sin embargo, estas ventajas conllevan un serio inconveniente.
Incluso a una altitud de cientos de kilómetros, la atmósfera residual seguirá ralentizando los satélites. Si el empuje no se repone continuamente, la altitud orbital del satélite disminuirá gradualmente y eventualmente caerá a la atmósfera. Por lo tanto, los satélites que actualmente operan en órbitas inferiores suelen depender de sistemas de propulsión a bordo para realizar correcciones orbitales periódicas, y estos sistemas de propulsión deben llevar reservas de combustible limitadas.
Los sistemas de propulsión eléctrica tradicionales utilizan principalmente propulsores costosos como el xenón. Una vez agotado el combustible, la vida útil del satélite suele verse obligada a finalizar, independientemente de si el satélite sigue intacto.
La solución propuesta por Romano pertenece al "sistema de propulsión eléctrica de respiración atmosférica". A diferencia de los métodos tradicionales, este sistema recoge directamente la fina atmósfera que se aproxima durante el vuelo, introduce las moléculas de gas en el motor y luego utiliza un campo eléctrico para convertir estas moléculas en plasma, que luego se expulsa hacia atrás para generar propulsión.
En teoría, mientras el satélite se encuentre todavía a una altitud orbital con gas residual, podrá seguir obteniendo una fuente de propulsor sin tener que transportar una gran cantidad de combustible adicional.
Sin embargo, convertir esta idea aparentemente simple en realidad no es fácil.
Los investigadores señalan que uno de los mayores desafíos en entornos de órbita ultrabaja proviene del oxígeno atómico. En la atmósfera superior, la luz ultravioleta descompone el oxígeno ordinario en oxígeno monoatómico. Esta sustancia tiene una capacidad oxidante extremadamente fuerte y corroerá rápidamente componentes clave como electrodos metálicos, rejillas de aceleración y cátodos en los motores de iones tradicionales.
En particular, el sistema catódico, que es responsable de neutralizar la carga, es el más susceptible a sufrir daños. Una vez que el cátodo falle, el satélite no podrá liberar partículas cargadas con normalidad y el sistema de propulsión también perderá su función.
Además, la atmósfera superior no es un entorno estable. La densidad del gas fluctúa con los cambios diurnos y nocturnos, la actividad solar y la posición orbital, lo que aumenta aún más la dificultad del diseño del sistema de propulsión.
Para abordar estos problemas, Romano diseñó un nuevo tipo de propulsor de plasma de ondas espirales de radiofrecuencia. En comparación con los motores de iones tradicionales, este diseño no depende de neutralizadores ni sistemas catódicos que sean susceptibles a la corrosión, y logra tareas de propulsión generando un chorro de plasma casi neutro que contiene iones tanto positivos como negativos.
El equipo de investigación también desarrolló estructuras de recolección atmosférica especializadas. El más eficaz es un dispositivo de entrada de aire con estructura de espejo parabólico. En los experimentos, este diseño pudo capturar aproximadamente el 94,3% de las moléculas de gas que se aproximaban. Incluso si la actitud del satélite se desvía hasta cierto punto, la caída en la eficiencia de la recaudación es relativamente limitada.
La parte central del propulsor adopta un diseño estructural similar a la "antena de jaula de pájaros" en los equipos de imágenes por resonancia magnética. Los resultados de las pruebas muestran que esta solución puede transmitir aproximadamente el 99% de la energía de radiofrecuencia al propulsor, lo que reduce significativamente la pérdida de energía causada por la estructura de bobina tradicional.
Los resultados de la simulación de laboratorio muestran que el sistema de propulsión solo requiere de 50 a 60 vatios de potencia para formar un flujo de plasma estable y, en un entorno orbital real, se espera que la potencia necesaria para mantener un funcionamiento continuo sea inferior a 1,6 kilovatios. Los investigadores creen que esta demanda se puede satisfacer plenamente con paneles solares convencionales.
Según los cálculos del modelo, si el rendimiento del sistema cumple con las expectativas, el satélite puede mantener una órbita a una altitud de entre 190 y 250 kilómetros durante mucho tiempo sin necesidad de reponer propulsores tradicionales. Esto no sólo significa que la vida útil de la misión puede ampliarse significativamente, sino que también se pueden reducir la calidad del lanzamiento y el coste de la misión.
Los investigadores enfatizaron que esta tecnología aún se encuentra en la etapa de verificación experimental y modelado teórico y aún no ha sido probada en misiones espaciales reales. Aún es necesario verificar más a fondo su confiabilidad a largo plazo, su adaptabilidad al entorno orbital y su eficiencia real de propulsión.
A pesar de esto, la industria generalmente cree que los sistemas de propulsión por respiración atmosférica representan una dirección importante para el desarrollo de satélites de órbita ultrabaja. Si se implementa con éxito en el futuro, se espera que la próxima generación de satélites de observación de la Tierra, satélites de comunicaciones e incluso otras sondas planetarias dependan del gas natural del entorno circundante para mantener su funcionamiento, eliminando así la dependencia de los propulsores tradicionales.
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