C12A7:e- en cátodos y neutralizadores para mejorar la propulsión eléctrica
En los últimos años, los sistemas de propulsión eléctrica (PE) han ido ganando terreno a los de propulsión química para las misiones de órbita terrestre baja (LEO, por sus siglas en inglés). Los satélites LEO están sujetos a decaimiento orbital, es decir, a una disminución gradual de su distancia a la Tierra. Como consecuencia, necesitan sistemas de propulsión eficientes y de bajo empuje para «mantenerse en posición». Los satélites más pequeños también precisan componentes menos voluminosos y más ligeros. La PE cumple ambos requisitos. Sin embargo, los principales retos surgen del hecho de que los sistemas de PE más avanzados utilizan materiales escasos y caros para sus cátodos y propulsantes. El equipo del proyecto NEMESIS, financiado con fondos europeos, aborda ambas cuestiones con un material catódico revolucionario que puede producirse de forma rentable en Europa a partir de precursores baratos, disponibles a nivel local y abundantes.
C12A7:e- como emisor alternativo de electrones
Los materiales catódicos cumplen dos funciones. Proporcionan electrones para bombardear los gases propulsores, con el fin de producir iones positivos que son acelerados y expulsados para empujar el vehículo hacia delante. Entonces, como este proceso carga el vehículo positivamente, se necesitan electrones adicionales para neutralizar la carga positiva. «La mayoría de los cátodos y neutralizadores de PE utilizan actualmente hexaboruro de lantano (LaB6) como emisor de electrones y xenón como gas propulsor. Tanto el lantano como el xenón son escasos y caros, problemas que se han visto agravados por la guerra de Ucrania», explica Ángel Post, de Advanced Thermal Devices y coordinador del proyecto NEMESIS. El equipo de NEMESIS se centró en un nuevo material cerámico, C12A7:e-, que no solo es barato y abundante, sino que requiere una temperatura más baja para empezar a emitir. Esto se traduce en una menor necesidad de energía y menos estrés térmico inducido para el resto de componentes y subsistemas del satélite. Los investigadores esperaban que fuera químicamente más inerte que el LaB6, lo que permitiría su uso con otros gases propulsores.
La polarización pulsada resuelve las inestabilidades en la generación de electrones
El consorcio confirmó todos los beneficios previstos y muchos más. La temperatura de funcionamiento se redujo a unos 200-250 °C desde los 800-1 300 °C de otros emisores de electrones. Esto elimina la necesidad de una fuente de calor externa, de caros materiales termoestables en los subsistemas y de escudos contra la radiación térmica. Los investigadores demostraron la compatibilidad operativa con muchos gases propulsores alternativos, como el argón, el kriptón e incluso el amoníaco, además del xenón convencional. El equipo de NEMESIS utilizó los nuevos cátodos durante miles de horas en total, con resultados constantes y repetibles en múltiples laboratorios. Y lo que es más importante, «superamos el problema más difícil con C12A7:e-: las chispas e inestabilidades causadas por la acumulación de carga en la fina capa dieléctrica de la superficie del material, que provocan fallos de funcionamiento e incluso la fusión. Nuestra solución —técnicas de acoplamiento de cargas mediante la polarización pulsada del material— ha sido patentada», señala Post. Además, la polarización pulsada proporcionó el doble de corriente emitida y permitió al consorcio iniciar la emisión de electrones a temperaturas incluso inferiores a las registradas en otros datos publicados. Se han desarrollado y probado satisfactoriamente varios prototipos utilizando propulsantes de xenón, argón, kriptón , yodo y amoníaco. Estos se acoplaron satisfactoriamente a propulsores comerciales de efecto Hall y alcanzaron un alto rendimiento en cuanto al factor de mérito.
Independencia europea en la propulsión rentable de satélites
En NEMESIS se sensibilizó a la industria espacial europea a través de veinticuatro presentaciones en nueve congresos y talleres internacionales, así como ocho publicaciones con revisión por expertos, lo que fomentó la adopción temprana y la competitividad. Desde la finalización del proyecto se han adjudicado tres proyectos de seguimiento y se han firmado dos acuerdos de colaboración industrial. Europa está en camino de dotar a su floreciente mercado de los pequeños satélites de una PE rentable, de bajo consumo y alto rendimiento, que mejore su competitividad en un mercado mundial en expansión.
Palabras clave
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