Los sistemas de suministro de energía (suministro de energía, si es más simple, porque incluso las máquinas necesitan comer algo) son una parte importante de la nave espacial. Deben trabajar en condiciones extremas y ser extremadamente fiables. Sin embargo, con las crecientes demandas de energía de las complejas naves espaciales, necesitaremos nuevas tecnologías en el futuro. Las misiones que durarán décadas requerirán una nueva generación de fuentes de alimentación. ¿Qué opciones?
Los últimos teléfonos móviles apenas pueden sobrevivir un día sin tener que estar conectados a una toma de corriente. Pero la sonda Voyager, lanzada hace 38 años, todavía nos envía información más allá del sistema solar. Las sondas Voyager son capaces de procesar de manera eficiente 81.000 instrucciones por segundo, pero en promedio los teléfonos inteligentes son 7.000 veces más rápidos.
Sus teléfonos móviles, por supuesto, nacieron para recargarse con regularidad y es poco probable que se alejen varios millones de kilómetros del punto de venta más cercano. No es práctico recargar una nave espacial que está a 100 millones de kilómetros de la estación más cercana. En cambio, una nave espacial debe ser capaz de almacenar o generar suficiente energía para navegar por el espacio durante décadas. Y esto, como resultó, es difícil de arreglar.
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Si bien algunos sistemas a bordo solo requieren energía ocasionalmente, otros deben estar funcionando constantemente. Los transpondedores y receptores deben estar activos en todo momento, y en el caso de un vuelo tripulado o una estación espacial, los sistemas de soporte vital y de iluminación también deben funcionar.
El Dr. Rao Surampudi es el Gerente del Programa de Tecnología de Energía en el Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto de Tecnología de California. Durante más de 30 años ha estado desarrollando sistemas de suministro de energía para varias naves espaciales de la NASA.
Según Surampudi, los sistemas de energía de las naves espaciales representan aproximadamente el 30% de la masa de transporte y se pueden dividir en tres subgrupos importantes:
generación de energía;
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almacen de energia;
administración y distribución de energía
Estos sistemas son fundamentales para el funcionamiento de la nave espacial. Deben tener una masa baja, vivir mucho tiempo y ser "energéticamente densos", es decir, producir mucha energía a partir de volúmenes relativamente pequeños. También deben ser bastante confiables, porque algunas cosas en el espacio serían casi poco realistas o imprácticas de arreglar.
Estos sistemas no solo deben ser capaces de proporcionar energía a todas las necesidades a bordo, sino también durante toda la misión, algunas de las cuales podrían durar decenas o cientos de años.
"La esperanza de vida tiene que ser larga, porque si algo sale mal, no se puede arreglar", dice Surampudi. "Tomará de cinco a siete años llegar a Júpiter, más de diez años a Plutón, pero dejar el sistema solar es de 20 a 30 años".
Debido al entorno único en el que operan, los sistemas de suministro de energía de la nave espacial deben poder operar en gravedad cero y en el vacío, así como soportar una radiación colosal (generalmente, en tales condiciones, la electrónica no funciona). "Si aterrizas en Venus, las temperaturas pueden alcanzar los 460 grados Celsius, pero en Júpiter pueden descender a -150 grados".
La nave espacial, que se dirige hacia el centro de nuestro sistema solar, recibirá mucha energía solar para sus paneles fotovoltaicos. Los paneles solares de las naves espaciales pueden parecer paneles solares normales para nuestros hogares, pero están diseñados para funcionar de manera más eficiente que en casa.
El aumento repentino de la temperatura debido a la proximidad del sol también puede hacer que los paneles solares se sobrecalienten. Esto se mitiga girando los paneles solares lejos del sol, lo que limita la exposición a rayos intensos.
Cuando una nave espacial entra en la órbita de un planeta, las células solares se vuelven menos eficientes; no pueden generar mucha energía debido a los eclipses y al pasar por la sombra del planeta. Se necesita un sistema de almacenamiento de energía confiable.
Los átomos responden
Uno de esos tipos de sistemas de almacenamiento de energía son las baterías de níquel-hidrógeno, que pueden recargarse más de 50.000 veces y tienen una vida útil de más de 15 años. A diferencia de las baterías comerciales, que no funcionan en el espacio, estas baterías son sistemas sellados herméticamente que pueden funcionar en el vacío.
Cuando vuela lejos del Sol, la radiación solar disminuye gradualmente de 1.374 W / m2 alrededor de la Tierra a 50 W / m2 cerca de Júpiter, mientras que Plutón ya asciende a alrededor de 1 W / m2. Por lo tanto, cuando una nave espacial sale de la órbita de Júpiter, los científicos recurren a sistemas atómicos para proporcionar energía a la nave espacial.
El tipo más común son los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG para abreviar), que se utilizaron en la Voyager, Cassini y el rover Curiosity. Son dispositivos de estado sólido que no tienen partes móviles. Generan calor durante la desintegración radiactiva de elementos como el plutonio y tienen una vida útil de más de 30 años.
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Cuando el uso de un RTG no es posible, por ejemplo, si el peso del blindaje requerido para proteger a la tripulación hace que el aparato no sea práctico, y la distancia del Sol impide el uso de paneles solares, entonces se activan las celdas de combustible.
Las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno se utilizaron durante las misiones espaciales Apollo y Gemini. Aunque las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno no se pueden recargar, tienen una alta energía específica y no dejan nada más que agua para que la beban los astronautas.
La investigación en curso de la NASA y el JPL permitirá que los futuros sistemas de energía generen y almacenen más energía utilizando menos espacio y durante más tiempo. No obstante, las nuevas naves espaciales requieren cada vez más reservas a medida que sus sistemas a bordo se vuelven más complejos y ávidos de energía.
Los requisitos de alta energía son especialmente ciertos cuando la nave espacial utiliza un sistema de propulsión eléctrica como el motor de iones, entregado por primera vez a Deep Space 1 en 1998 y todavía se utiliza con éxito en naves espaciales. Los sistemas de propulsión eléctrica generalmente expulsan combustible con electricidad a alta velocidad, pero otros usan cuerdas electrodinámicas que interactúan con los campos magnéticos del planeta para mover la nave espacial.
La mayoría de los sistemas de energía de la Tierra no funcionarán en el espacio. Por lo tanto, cualquier nuevo sistema de suministro de energía debe probarse a fondo antes de ser instalado en una nave espacial. La NASA y el JPL están utilizando sus laboratorios para simular las duras condiciones en las que operará esta nueva tecnología, bombardeando nuevos componentes y sistemas con radiación y exponiéndolos a temperaturas extremas.
Vida extra
Actualmente se están preparando generadores de radioisótopos Stirling para misiones futuras. Según los RTG existentes, estos generadores son mucho más eficientes que sus hermanos termoeléctricos y pueden ser mucho más pequeños, aunque con una disposición más compleja.
También se están desarrollando nuevos tipos de baterías para la misión planificada de la NASA a Europa (una de las lunas de Júpiter). Deben operar en un rango de temperatura de -80 a -100 grados Celsius. Se está estudiando la posibilidad de crear baterías de iones de litio avanzadas con el doble de energía almacenada. Podrían permitir que los astronautas pasen el doble de tiempo en la luna antes de que se agoten las baterías.
Se están desarrollando nuevos paneles solares que podrán operar en condiciones de intensidad de luz y temperaturas reducidas, es decir, la nave espacial podrá operar con energía solar más alejada del Sol.
Un día, la NASA finalmente decidirá construir una base permanente en Marte con personas, y tal vez en otro planeta. La agencia necesitará sistemas de generación de energía que sean mucho más potentes que los existentes.
La luna es rica en helio-3, un elemento raro en la Tierra que podría ser un combustible ideal para la fusión nuclear. Sin embargo, hasta ahora tal síntesis no se considera lo suficientemente estable o confiable como para formar la base del suministro de energía de la nave espacial. Además, un reactor de fusión típico, como un tokamak, tiene aproximadamente el tamaño de una casa y no cabe en una nave espacial.
¿Qué pasa con los reactores nucleares que serían perfectos para naves espaciales de propulsión eléctrica y misiones planificadas para aterrizar en la Luna y Marte? En lugar de llevar un sistema de suministro de energía separado a la colonia, se podría usar el generador nuclear de la nave espacial.
Las naves espaciales con un tipo de motor nuclear-eléctrico se consideran para misiones a largo plazo en el futuro. "Una misión de redirección de asteroides requerirá poderosos paneles solares que proporcionarán suficiente propulsión eléctrica para que la nave espacial maniobre alrededor del asteroide", dice Surampudi. “En algún momento íbamos a lanzarlo con energía solar, pero con la energía nuclear todo saldrá mucho más barato”.
Sin embargo, no veremos naves espaciales de propulsión nuclear durante muchos años. “La tecnología aún no ha madurado”, dice Surampudi. "Necesitamos asegurarnos de que estén a salvo después del lanzamiento". Tendrán que someterse a pruebas rigurosas para demostrar si es seguro exponer tales instalaciones nucleares a las duras pruebas del espacio ".
Los nuevos sistemas de suministro de energía permitirán que la nave espacial funcione por más tiempo y viaje más lejos, pero aún están al comienzo de su desarrollo. Cuando se prueben, se convertirán en componentes críticos para misiones tripuladas a Marte y más allá.
