Una tecnología de alimentación para nanosatélites aumenta su fiabilidad y eficacia a un coste menor
El sector de los satélites pequeños (nanosatélites) no deja de crecer impulsado por el afán de miniaturización, estandarización y reducción de costes. No obstante, para lograr obtener los resultados deseados, un rendimiento elevado para una amplia gama de aplicaciones, es necesario contar con un sistema de almacenamiento de energía eficaz y fiable. El proyecto financiado con fondos europeos MONBASA (Monolithic Batteries for Spaceship Applications) se puso en marcha para crear una tecnología de almacenamiento de energía que se ajustase a los estándares y las normativas vigentes, y que fuera fiable y muy eficiente desde el punto de vista energético al mismo tiempo que ligera y compacta. El equipo de investigadores diseñó nuevos componentes de película delgada, cruciales para la nueva generación de baterías recargables de iones de litio de alta tensión y estado completamente sólido. Estas baterías cumplen con los estándares de seguridad, solidez, densidad energética, compatibilidad en el vacío, resistencia a la radiación y ventana térmica de funcionamiento, lo que las hace ideales para aplicaciones espaciales, así como otros estándares de Internet de los Objetos (IoT). Superiores al estado actual de la técnica La popularidad de los nanosatélites es enorme y la cantidad de desarrolladores y proyectos no deja de aumentar, razón por la cual el punto de partida de MONBASA fue la creación de tecnologías de almacenamiento de energía capaces de impulsar el sector aún más. El equipo desarrolló en un primer momento una batería de estado sólido basada en dos electrodos de alta tensión y electrolitos cerámicos sólidos que presenta una conductividad iónica mucho mayor que la de los electrolitos sólidos comerciales. La integración del electrolito sólido debe lograrse para obtener una célula completa funcional, y por tanto resulta crítico generar el contacto adecuado entre el cátodo y el electrolito. A fin de analizar las propiedades físicas y químicas de las interfaces de la batería se emplearon las herramientas de análisis más avanzadas. El paso siguiente fue estudiar la integración de baterías con sensores satelitales de vanguardia como los sistemas microelectromecánicos (MEMS), una tecnología fundamental para sensores y accionadores en satélites avanzados. Su propuesta se comprobó y validó en condiciones como las del espacio. «Adoptamos métodos de procesamiento de las industrias microelectrónica y de vidrios tecnológicos compatibles con la fabricación de nanosatélites. Estos resultaron fundamentales para obtener componentes de baterías de iones de litio de película delgada y alta calidad superiores a los componentes ya disponibles en el mercado», aclaró el Dr. Miguel Ángel Muñoz. MONBASA demostró que los electrodos de película pequeña comparados con los electrolitos líquidos comerciales tienen una duración de un orden de magnitud superior a los electrodos comerciales convencionales. En la práctica, esto significa que las celdas de iones de litio disponibles podrían ver aumentada su capacidad simplemente con un cambio de electrodos. En teoría, el electrolito líquido no debería mostrarse estable a la tensión elevada que transmite el cátodo de MONBASA. Sin embargo, la celda de película delgada mantuvo más del 80 % de su capacidad inicial durante más de dos mil ciclos a corrientes elevadas y tras integrar el electrolito sólido, estable a alta tensión, el rendimiento de la celda fue incluso superior. El proyecto también descubrió que el método de procesamiento del electrodo negativo empleado por MONBASA, comprobado con un electrolito sólido comercial de referencia a tan solo 45 °C, se equiparó al rendimiento de celdas convencionales funcionando a 70 °C. Tal y como resume el Dr. Muñoz: «Las baterías de estado completamente sólido de MONBASA podrían superar los retos a los que se enfrenta hoy en día el sector espacial con respecto a las baterías de iones de litio disponibles comercialmente». A lo que añadió: «Unos componentes de batería más duraderos evitarán fallos y por tanto permitirán prolongar la vida de los satélites. Unas baterías de alta tensión, película pequeña y menor tamaño podrían dar lugar a satélites más pequeños que reduzcan el riesgo de colisiones. Además, su ventana de temperaturas más amplia aumentará la seguridad y el rendimiento en condiciones extremas». Garantizar y ampliar servicios críticos En su Estrategia Espacial para Europa, la Comisión Europea hizo hincapié en tecnologías y datos espaciales innovadores aplicados a servicios fundamentales para el día a día de los ciudadanos europeos. Los satélites pequeños son especialmente útiles para aplicaciones innovadoras debido a que son relativamente baratos de fabricar y lanzar y permiten poner en marcha oportunidades que se ajustan a determinados mercados como las telecomunicaciones, la agricultura, el transporte y el medio ambiente. Estos servicios ayudan a proteger y gestionar infraestructuras críticas, reforzar la competitividad económica, organizar los recursos para una población creciente y abordar las tensiones del cambio climático. «Más allá de los satélites espaciales, los resultados del proyecto poseen interés en otras aplicaciones como la alimentación de sensores autónomos de IoT y dispositivos médicos para vigilar la salud». Pero tal y como indica el Dr. Muñoz: «El trabajo por hacer deberá dedicarse a optimizar las interfaces que permiten integrar un cátodo de película delgada en un electrolito de película delgada. En paralelo habrá que dar prioridad a la ampliación de los sistemas de fabricación de componentes».
Palabras clave
MONBASA, satélites, batería, electrolito, cátodo, Internet de los Objetos, telecomunicaciones, microelectromecánico, electrodo, almacenamiento de energía, espacio