El innovador sistema Plasma Jet Pack aumenta la agilidad de los satélites espaciales pequeños
Los satélites pequeños, conocidos como nanosatélites, suelen medir tan sólo unos decímetros y pesar menos de 50 kg. En la actualidad se utilizan con fines diversos: telecomunicaciones, observación de la Tierra, navegación y posicionamiento y hasta exploración interplanetaria. Se disponen a menudo en constelaciones y diversifican las capacidades de la infraestructura espacial. Luc Herrero, de la empresa Comat,comenta: «Los nanosatélites han democratizado el acceso al espacio porque permiten la participación de una mayor variedad de actores, desde empresas emergentes a instituciones educativas, en la investigación y las actividades espaciales». Sin embargo, la complejidad de la propulsión y las operaciones, tanto en tierra como en órbita, sigue planteando problemas que reducen la eficacia, la rentabilidad y la seguridad de los nanosatélites. El equipo del proyecto PJP, financiado con fondos europeos y coordinado por Herrero, investigó la propulsión eléctrica como solución a los procesos actuales, que necesitan cohetes específicos para el lanzamiento de nanosatélites. Con la utilización de métodos y sondas especialmente diseñados, los investigadores del proyecto lograron caracterizar una solución de plasma pulsado y crearon herramientas de simulación para estudiar la física subyacente, lo que dio como resultado un prototipo modularizado basado en versiones anteriores.
Propulsión eléctrica
La tecnología de propulsión eléctrica de PJP se basa en la física de arco en el vacío. En este caso, se crean iones de alta velocidad a partir de un propelente metálico sólido cuando se libera una descarga eléctrica en el vacío entre dos electrodos: el cátodo (propelente sólido) y el ánodo (electrodo pasivo). La energía de los electrones se transfiere a los iones gracias a su proceso de enfriamiento, lo que crea un campo eléctrico de alta intensidad. La solución PJP expulsa un plasma casi neutro a velocidades muy altas (hasta 50 km por segundo), que es lo que genera la propulsión. «Nuestro dispositivo puede generar una propulsión a demanda en el espacio porque transfiere impulso al satélite para su maniobrabilidad sin dejar de almacenar propelente de forma compacta y segura, evitando de este modo los depósitos y válvulas tóxicos o presurizados que necesitan las versiones convencionales eléctricas o químicas», explica Herrero. El equipo caracterizó más de treinta geometrías diferentes de cámaras de descarga de arco utilizando métodos de diagnóstico propios, que ayudaron a determinar el diseño de una herramienta de simulación para explorar diversas configuraciones de sistemas. «Gracias a la combinación de métodos de caracterización de plasma y herramientas de simulación, entendimos mejor la física del arco en el vacío y logramos desarrollar una de las tecnologías más innovadoras en este ámbito», señala Herrero. El diseño modular permitió crear tres componentes fundamentales: la cámara de descarga de arco, la unidad generadora de plasma y la unidad de alimentación y control de la propulsión. Una vez aprobados por el equipo, los 3 componentes se combinaron para crear un prototipo de Plasma Jet Pack de 30 W, compatible también con las versiones de 80 y 150 W. Este prototipo se basa en versiones anteriores más básicas, previas al proyecto. «Aunque observamos que la mayoría de los parámetros que probamos satisfacen las necesidades del mercado, es necesario seguir trabajando para evitar la erosión de los electrodos y mejorar la duración de la propulsión», afirma Herrero. El primer vuelo del concepto modular PJP30 del proyecto está previsto para 2024, con el objetivo de demostrar su capacidad de propulsión direccional.
Diversidad de aplicaciones
Las alternativas a los propelentes químicos son compatibles con las ambiciones de sostenibilidad de la Unión Europea (UE) y con el desarrollo de una cadena de suministro más local, en línea con los objetivos de la UE de adquirir mayor autonomía. Sus probables aplicaciones —como la vigilancia del medio ambiente, la mejora de las redes de comunicación y de la seguridad de la exploración espacial— también aportarán beneficios a la economía europea mediante la creación de empleo y el fomento de las dotes de liderazgo tecnológico de Europa. Asimismo, el equipo desarrolla en la actualidad un nuevo componente fundamental con mejores capacidades de propulsión para mayor diversidad de misiones.
Palabras clave
PJP, nanosatélites, plasma, física, chorro, propulsión, propelente, espacio, propulsión eléctrica