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Aug 01, 2023

Llénalo

Ambiciosos planes para gasolineras en el espacio podrían extender la vida de los satélites

Ambiciosos planes para gasolineras en el espacio podrían extender la vida de los satélites

A las 21:20 de una tarde de primaveraHace 10 años, los residentes de las Islas Malvinas vieron un objeto ardiente atravesar el cielo, desmoronarse mientras caía en picado hacia el Atlántico Sur.

El satélite GOCE había vuelto a casa.

Europa había lanzado la nave espacial de una tonelada para cartografiar los campos gravitatorios de la Tierra. Pero la gravedad rió el último cuando GOCE (abreviatura de Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) se quedó sin combustible de xenón para su sistema de propulsión de iones, lo que lo hizo incapaz de mantener su órbita a 139 millas sobre la Tierra.

No obstante, los científicos estaban encantados. Esperaban que la misión GOCE durara dos años, pero lograron aguantar cuatro años gracias a una tasa de consumo de combustible inferior a la esperada. Ese tiempo adicional de la misión permitió la recopilación de los datos de gravedad de la Tierra más precisos de la historia.

Representación de un artista del satélite europeo Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE), que se quedó sin combustible y volvió a entrar en la atmósfera en 2013. Las instalaciones de reabastecimiento de combustible podrían permitir a las agencias espaciales extender la vida operativa de sus satélites científicos. (AOES Medialab/ESA)

Pero, ¿y si GOCE, y otros satélites, no se quedaran sin combustible? ¿Qué pasaría si fuera posible recargar sus tanques de combustible en órbita para que pudieran continuar con sus misiones? La pregunta, inicialmente especulativa, se ha vuelto cada vez más urgente a medida que la basura espacial continúa acumulándose, lo que representa un peligro para los satélites y los viajeros espaciales por igual.

Las pruebas de laboratorio demuestran cómo incluso los desechos más pequeños pueden causar daños graves. (ESA)

No todos los satélites caen en picado a la Tierra al final de su vida. Muchos simplemente se convierten en parte del campo de desechos orbitales en constante crecimiento que, según la NASA, actualmente consta de más de 23,000 fragmentos más grandes que una pelota de béisbol, cada uno de los cuales viaja a velocidades de hasta 17,500 mph. Además, hay aproximadamente 100 millones de piezas de escombros de 0,04 pulgadas o más grandes, e incluso más pequeñas. Ahora hemos llegado al punto en que los escombros están generando aún más escombros. En 2009, dos satélites obsoletos chocaron y se rompieron en más de 2300 pedazos lo suficientemente grandes como para ser rastreados.

Más de 4.500 satélites siguen operativos en la actualidad, y solo se llenará más a medida que empresas privadas como SpaceX y OneWeb planeen continuar lanzando constelaciones de miles de satélites de Internet en los próximos años.

"Estamos tratando de terminar con el paradigma del 'uno y listo', la mentalidad de que lanzas una nave espacial, vive su vida útil y luego simplemente construyes otra para ocupar su lugar", dice Jill McGuire, una ingeniero de robótica espacial en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, que trabajó en las históricas misiones de reparación del Hubble. Ahora es la jefa de la División de Proyectos de Exploración y Servicios en el Espacio que administra OSAM-1 (Servicio, Ensamblaje y Fabricación en órbita), una próxima misión que reabastecerá robóticamente un satélite en órbita.

La NASA está lejos de ser el único jugador en este campo, pero la agencia ha sido pionera. En 2007, en colaboración con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), Boeing y Ball Aerospace, la NASA lanzó Orbital Express, un intento cooperativo de reabastecimiento de combustible que involucró dos naves espaciales especialmente diseñadas e incluyó algunas demostraciones de servicio, como el reemplazo de una batería. Luego, en 2011, la NASA lanzó la primera Misión Robótica de Reabastecimiento de Combustible (RRM), un proyecto en tres fases que concluyó en 2020. Con esta misión, la NASA buscó demostrar tecnología que podría aplicarse a satélites que no fueron diseñados para reabastecimiento de combustible.

La nave espacial OSAM-1 de la NASA (a la izquierda) se acerca a Landsat 7 (como se ve en este arte digital). La misión, prevista para 2025, evaluará si OSAM-1 puede agarrar el satélite de rápido movimiento con un brazo robótico y reabastecerlo. (Northrop Grumman)

"OSAM-1 va a ser muy similar a la Misión de Reabastecimiento de Combustible Robótico e involucrará una válvula de llenado y drenaje típica en un satélite real", dice McGuire, y agrega que la misión no se centrará solo en el reabastecimiento de combustible. "Para nosotros, el reabastecimiento de combustible es solo un componente del servicio. Y eso puede significar reposicionar el satélite, reemplazar una caja de batería o actualizar un instrumento. También puede significar reparar un brazo de paneles solares que no se implementa".

Eso no quiere decir que repostar sea la parte fácil. Debido a que el combustible es explosivo, se toman medidas para evitar fugas cuando se prepara un satélite para su lanzamiento. "Una vez que la nave espacial está llena de combustible, cierran la válvula de llenado y drenaje y la cierran con cables", dice McGuire. "Luego colocan una tapa de seguridad allí, colocan un cable para cerrarla y colocan otra tapa de seguridad. También colocan un cable para cerrarla y luego todo eso se cierra con una manta para ayudar con la protección térmica".

Una nave espacial de reabastecimiento de combustible primero debe agarrarse y acoplarse con el satélite objetivo, y luego penetrar cada una de esas precauciones de seguridad utilizando un brazo robótico. Tal como lo describe McGuire, el complejo proceso casi suena como desarmar una bomba: "Tenemos que ser capaces de abrir la cubierta, cortar una sección y retenerla mientras cortamos los cables y quitamos las tapas para acceder la válvula de llenado y drenaje. El brazo del robot agarrará la herramienta de reabastecimiento de combustible, que tendrá una manguera conectada al sistema de combustible en nuestra nave espacial. Una vez que la herramienta esté instalada a través del robot, podemos realizar la operación de reabastecimiento de combustible, después el cual dejaremos un mecanismo de desconexión rápida en la válvula, y la cerraremos de tal manera que quede protegida térmicamente”.

Esa segunda parte de la misión demostrará la capacidad de realizar reparaciones sencillas montando y desmontando repetidamente una pequeña antena parabólica de radio y usándola para enviar una señal a la Tierra. Y al igual que la primera parte, todo el procedimiento se comandará desde el suelo. Todo se llevará a cabo durante un período de tres semanas, a unas 400 millas de altitud y a velocidades superiores a las 16,500 mph. Actualmente, la misión está programada para un lanzamiento a principios de 2025, y la NASA ya ha elegido un objetivo: Landsat 7, un satélite de observación de la Tierra del Servicio Geológico de EE. UU. lanzado en 1999 que agotó su combustible en 2011. OSAM-1 lo recargará con aproximadamente 250 libras. de hidracina, el tipo más común de propulsor químico para satélites, lo que permitió que Landsat 7 se mantuviera en órbita durante varios años más.

"Las técnicas que estamos desarrollando mostrarán que se puede reabastecer y actualizar un satélite para que pueda vivir allí otros 10 años, tal vez con mejor tecnología", dice McGuire. "Eso abre una forma completamente nueva de hacer operaciones espaciales".

Es un plan ambicioso cargado de desafíos, según Massimiliano Vasile, profesor de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Strathclyde en el Reino Unido. "Cuando te acercas a un objeto en el espacio, debes agarrarlo", dice. "Si el objeto no está diseñado para agarrarse, eso no es fácil de hacer. Por ejemplo, si el objeto no está operativo, probablemente esté dando vueltas, y ya es difícil agarrar algo que se mueve de manera predecible. Debe comprender todo esto incluso antes de que te acerques".

En el lado positivo, solo hay tres fabricantes diferentes de válvulas de llenado y drenaje, por lo que la NASA necesita ajustarse a solo tres geometrías para poder reabastecer cualquier satélite en órbita. Y las hojas OSAM-1 de desconexión rápida en la válvula después de repostar actúan como una interfaz entre la herramienta de repostaje y la propia válvula, reemplazando todas las tapas originales. El procedimiento de cierre será entonces más rápido y las operaciones posteriores de reabastecimiento de combustible serán más fluidas.

Menos satélites muertos en órbita significa menos basura espacial. Un gráfico de la NASA revela los millones de piezas de escombros y micrometeoroides creados por el hombre que actualmente orbitan a velocidades promedio de 22,000 mph.

Un enfoque más eficiente y menos costoso para dar servicio a los satélites sería incorporar tecnología de reabastecimiento de combustible en sus diseños antes de que se construyan. Orbit Fab, una empresa privada con sede en Colorado, está trabajando para lograr ese objetivo.

"Tenemos la visión de una arquitectura de reabastecimiento de combustible de bajo costo que no involucre brazos robóticos costosos", dice Daniel Faber, cofundador y director ejecutivo de Orbit Fab. "Desarrollamos un puerto de reabastecimiento de combustible al hablar con otras empresas de la industria para comprender sus requisitos. Cuando comenzamos hace unos años, eran solo 30 o 40 empresas, ahora ya son más de 200".

Ese puerto se llama RAFTI (interfaz de transferencia de fluidos de conexión rápida) e incluye tres marcadores distintivos que facilitan la alineación adecuada durante las maniobras de atraque. Orbit Fab ha publicado sus especificaciones públicamente en un esfuerzo por convertirlo en un estándar de la industria, y el puerto ya está en órbita a bordo de un tanque de reabastecimiento de combustible de demostración llamado Tenzing-1, lanzado a mediados de 2021 en un cohete SpaceX Falcon 9.

"Es el primer depósito de combustible operativo del mundo", dice Faber, y agrega que tales depósitos representarán la mitad de la infraestructura de Orbit Fab, proporcionando una forma de almacenar grandes cantidades de combustible en órbita. La otra mitad son lanzaderas de combustible, que recogen el combustible de los depósitos y luego lo entregan a los satélites objetivo. "Los transbordadores usarán parte de ese combustible ellos mismos, por lo que son efectivamente infinitamente reutilizables", dice. "El próximo lanzamiento es a fines de 2023 para el primero de los transbordadores de combustible, y luego estaremos operativos para entregar combustible a los clientes. Tenemos varios de ellos alineados para recibir esa primera entrega de combustible en los próximos dos de años."

"La mayoría de los satélites se ven obligados a poner a bordo 15 años de combustible", dice Jeremy Schiel, cofundador de Orbit Fab. "Imagínese remolcar el combustible de 15 años detrás de su automóvil". Un puerto estándar, agrega, hace que el proceso de reabastecimiento de combustible sea mucho más simple en comparación con lo que la NASA tiene que hacer con su brazo robótico. "Eso es súper invasivo, porque tienes que cortar el aislamiento alrededor de la nave espacial, luego tienes que desatar el cable de amarre alrededor de la válvula de llenado y drenaje, y luego colocar el nuevo puerto. Así que hay muchas cosas que pueden ir mal durante ese proceso".

El puerto Orbit Fab ha atraído el interés de Lockheed Martin y Northrop Grumman (ambas empresas han invertido en Orbit Fab) y, más recientemente, del Departamento de Defensa, que otorgó a la empresa un contrato de 12 millones de dólares para probar RAFTI en satélites militares. "La Fuerza Aérea y la Fuerza Espacial comenzaron a financiar las pruebas según sus calificaciones y requisitos, que son bastante estrictos, por lo que también hemos aprendido de ellos", dice Faber. "Hemos progresado en el diseño, y ahora está estabilizado y lo estamos enviando a los clientes para que lo incluyan en su nave espacial".

Entre los primeros clientes de Orbit Fab se encuentra Astroscale, una empresa japonesa que se centra en la eliminación de desechos orbitales y el servicio de satélites. Su nave espacial LEXI es el primer satélite comercial operativo del mundo destinado a ser reabastecido de combustible y estará equipado con puertos RAFTI. LEXI, que significa Life-Extension In-Orbit, está diseñado para evitar la acumulación de más desechos flotantes reabasteciendo de combustible a los satélites para que puedan continuar con sus misiones, o proporcionando suficiente combustible para impulsar los satélites muertos a una "órbita de cementerio" más alta. El lanzamiento del primer LEXI está programado para 2026, y Astroscale y Orbit Fab firmaron un contrato para el suministro de hasta 2,200 libras de gas xenón, un propulsor estándar de la industria que alimenta los propulsores eléctricos.

Un ingeniero del Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland, realiza una verificación de ajuste de herramientas externas para la Misión de Reabastecimiento Robótico 3 de la NASA.

Orbit Fab también está colaborando con la NASA. "Nos hemos reunido con ellos varias veces", dice McGuire de la NASA. "Tratamos de brindarles más información sobre lo que hemos aprendido en el desarrollo de nuestras válvulas, para ver si alguna de esas cosas los ayudará a hacer un mejor producto". Sin embargo, agrega, si un satélite no tiene una válvula cooperativa, entonces la técnica que ha desarrollado la NASA es la única forma de repostar directamente cualquiera de las naves espaciales que están actualmente en órbita.

Más grupos están trabajando en proyectos similares. SpaceLogistics, una compañía de Northrop Grumman, lanzó dos naves espaciales, el año pasado y en 2020, que pueden acoplarse a satélites que tienen poco combustible. En 2025, la compañía planea lanzar depósitos de combustible. Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Carnegie Mellon está desarrollando una nueva tecnología robótica para dar servicio a los satélites, aprovechando en parte el trabajo realizado por Northrop Grumman. Lockheed Martin lanzó una interfaz mecánica de código abierto para acoplar naves espaciales entre sí. Y DARPA proporcionó capital inicial para ayudar a crear un consorcio para la ejecución de operaciones de encuentro y servicio, cuyo objetivo es desarrollar estándares liderados por la industria y guiar las políticas internacionales para el reabastecimiento de combustible y el servicio de satélites.

Durante la primera fase de RRM, los controladores de la misión en la Tierra aprendieron a controlar de forma remota el robot canadiense Dextre (montado en la Estación Espacial Internacional) para realizar una serie de tareas de mantenimiento.

La colaboración entre estas entidades marca un momento de transformación en la economía espacial. "Tenemos varios acuerdos de licencia vigentes con diferentes empresas que, como Orbit Fab, buscan iniciar sus propios escenarios de servicio", dice McGuire. "Todo lo que estamos aprendiendo y haciendo, la industria comercial podrá captarlo. Creo que el reabastecimiento de combustible se convertirá en un entorno competitivo, y en los próximos cinco a 10 años veremos un cambio dinámico a medida que la tecnología se convierta en un realidad y no solo algo que se hace en el laboratorio. Al igual que SpaceX, Boeing y Blue Origin compiten hoy por el lanzamiento comercial, habrá empresas que compitan por el reabastecimiento de combustible".

Según Faber, extender la vida útil de un satélite no es la única ventaja que ofrece el reabastecimiento de combustible. "También obtienes flexibilidad", dice. "Puede moverse mucho más sin preocuparse por quedarse sin combustible, que es la mayor preocupación cuando se opera un satélite en este momento. Entonces, si el mercado cambia, puede mover su satélite a donde está el mercado. Por ejemplo, usted puede volar satélites de imágenes más cerca de la atmósfera, donde obtiene un poco más de resistencia pero imágenes de mayor resolución, y luego recargarlos. Eso es algo que no ha sido posible antes. Hay muchos modelos comerciales que se benefician de no tener que transportar todo el combustible. contigo".

SpaceLogistics, una empresa de Northrop Grumman, ofrece una alternativa al reabastecimiento orbital: el módulo de extensión de la misión, que podría proporcionar seis años adicionales de vida útil para un satélite típico de 4409 libras en órbita geoestacionaria. (Northrop Grumman)

Inicialmente, Orbit Fab se centrará en la hidracina y el xenón, que representan alrededor del 95 por ciento de la demanda de combustible para satélites. Pero la compañía está buscando alternativas más ecológicas y económicas, y ha anunciado una asociación con la empresa emergente alemana Neutron Star Systems para desarrollar propulsores sostenibles.

A más largo plazo, Orbit Fab espera poner en órbita la producción del combustible. "Queremos ser una empresa petroquímica y, de hecho, comprar material extraído de asteroides y de la Luna para convertirlo en propulsores utilizables en el espacio", dice Schiel. "Al principio, nuestros petroleros no podrán reabastecerse de combustible, pero una vez que hagamos la transición a la parte petroquímica de nuestro negocio, podremos comenzar a reabastecer esos depósitos en el espacio, donde en realidad estamos produciendo los propulsores".

En 2022, Orbit Fab llegó a un acuerdo con Astroscale para reabastecer de combustible la nave espacial Life Extension In-Orbit (LEXI) de la compañía, que se ve en la representación de este artista. (Orbit Fab/Astroescala)

Estos futuros propulsores no serán hidracina y xenón, sino algo mucho más simple. Orbit Fab fue la primera empresa privada en suministrar agua a la Estación Espacial Internacional; y Tenzing, el depósito de combustible actualmente en órbita, tiene un tanque lleno de peróxido de hidrógeno.

"El agua, el peróxido de hidrógeno y los hidrocarburos van a ser los propulsores del futuro, porque podemos obtenerlos fácilmente de los asteroides y la luna", dice Faber. "Nuestra visión es vincular todo eso en una hoja de ruta de producción que puede reducir drásticamente el costo de hacer negocios, porque los materiales ya están ahí arriba".

La NASA, de hecho, está preparando una misión al polo sur de la luna para comenzar a inspeccionar los depósitos de hielo para futuras operaciones de perforación donde se podría extraer el hielo y convertirlo en agua, propulsores y oxígeno. Ha comenzado la era de la prospección lunar y, con ella, la tecnología para reabastecer de combustible a los satélites y reducir los desechos orbitales para que, a medida que se expanda la economía espacial, no nos llevemos la contaminación de la Tierra con nosotros.

jacopo prisco es un periodista residente en Londres que cubre noticias y reportajes para CNN International. Escribió sobre el Antonov An-225 en la edición de abril/mayo de 2021 de Air & Space.