Propulsores de alta potencia para los futuros vuelos espaciales
Los métodos tradicionales de propulsión química ―que se basan en la quema de combustible para generar empuje― están siendo eclipsados gradualmente por los sistemas de propulsión eléctrica (EPS, por sus siglas en inglés), en particular los basados en propulsores de efecto Hall. Al aprovechar un campo electromagnético para ionizar y acelerar un gas, los EPS ofrecen una mejora sustancial del impulso específico con respecto a sus homólogos químicos, lo cual proporciona a las naves espaciales una considerable ventaja de masa.
El camino hacia los sistemas de propulsión eléctrica de alta potencia
Tras una intensa labor de investigación y desarrollo, la propulsión eléctrica se ha convertido en una realidad, y ya se utilizan sistemas de bajo consumo en misiones espaciales. Sin embargo, la demanda de propulsores de alta potencia está creciendo, impulsada por las necesidades de las futuras misiones de exploración y transporte espacial, y el despliegue de plataformas de servicio versátiles como el remolque espacial para el servicio en órbita y la retirada de escombros. Los EPS de alta potencia, especialmente los de 20 kW, son fundamentales para estas plataformas, ya que ofrecen el equilibrio ideal entre flexibilidad operativa y relación potencia-empuje. Sin embargo, la cualificación de estos sistemas avanzados para su uso en el espacio se ha visto obstaculizada por costes prohibitivos y largos períodos de prueba. Un avance significativo en la madurez de la tecnología y una estrategia de cualificación alternativa propuesta por el equipo del proyecto ASPIRE, financiado con fondos europeos, pretendían superar estos retos. Mediante la realización de una prueba de acoplamiento a nivel de sistema y la posterior integración de modelos numéricos avanzados con campañas de pruebas específicas, la estrategia de ASPIRE pretendía ofrecer una vía rentable y metódica para desarrollar y cualificar sistemas de propulsión de efecto Hall de alta potencia.
Logros sin precedentes en las pruebas de propulsores
El equipo comenzó con varios escenarios de aplicación que podrían beneficiarse de estos potentes EPS, estableciendo requisitos de alto nivel. Al aprovechar la experiencia adquirida en EPS de menor potencia, los investigadores avanzaron en el diseño de varios subsistemas y componentes, como la unidad de propulsión, el sistema de gestión de fluidos y la arquitectura de potencia. Cada uno de estos subsistemas se sometió a fases de prueba separadas antes de emprender la tarea más difícil de integrar y probar el EPS completo a nivel de sistema. La prueba final del EPS integrado se realizó en las instalaciones IV10 de SITAEL, una de las mayores cámaras de vacío del mundo para pruebas de propulsión eléctrica. «Durante nuestras pruebas pioneras, el propulsor se encendió múltiples veces, funcionando con éxito dentro del rango de potencia deseado de 12,5-25 kW usando tanto xenón como criptón como propulsantes», destaca Angarano. Esta fase nos permitió explorar diversos aspectos del funcionamiento del EPS en modo de propulsión directa y en condiciones de alta tensión. La arquitectura de transmisión directa nos permite reducir considerablemente la masa y aumentar la eficiencia de la electrónica de potencia. «Un aspecto innovador de ASPIRE es su consideración del criptón como propulsante. Tradicionalmente se ha utilizado el xenón, pero el criptón ofrece una alternativa rentable que reduce los costes de cualificación en, al menos, un orden de magnitud», añade Angarano. «Además, aunque no estaba previsto en un principio, también decidimos probar el propulsor con argón. Recientemente, el argón se está considerando una alternativa aún más económica que el criptón para la propulsión eléctrica. Ha sido la primera prueba con éxito, en todo el mundo, de funcionamiento de un propulsor de 20 kW con argón». Los investigadores estudiaron los fenómenos de plasma pertinentes y desarrollaron códigos de simulación para evaluar el rendimiento del propulsor a lo largo del tiempo y en diferentes condiciones de funcionamiento.
Pioneros en el futuro de la exploración espacial
Ningún otro EPS de más de 12,5 kW ha alcanzado aún la fase de cualificación, lo cual sitúa al sistema ASPIRE a la vanguardia de los avances listos para su cualificación y demostración en órbita. Este salto se debe en parte a la innovadora estrategia de ASPIRE, que aprovecha las herramientas numéricas predictivas ―una primicia a escala mundial― para agilizar el proceso de cualificación. «Fue un proyecto difícil, pero al final los resultados recompensaron nuestros esfuerzos. Estoy deseando ver pronto cómo un propulsor eléctrico impulsa una nave espacial hacia Marte y más allá», concluye Angarano.
Palabras clave
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