En 1999, técnicos de la Universidad Estatal Politécnica de California (Cal Poly) y Universidad Stanford desarrolló las especificaciones para la tecnología CubeSat. En poco tiempo, las instituciones académicas estaban lanzando CubeSats para realizar todo tipo de investigación científica y validar nuevas tecnologías satelitales. Desde 2013, la mayoría de los lanzamientos han sido realizados por entidades comerciales y privadas más que por el mundo académico.
Desafortunadamente, los CubeSats se han retenido hasta ahora debido a la falta de una buena tecnología de propulsión. Además, existe la preocupación de que con la proliferación de satélites pequeños, la órbita terrestre baja (LEO) se vuelva superpoblada. Gracias a Industrias Howe y un diseño de motor revolucionario (conocido como el ThermaSat ) que utiliza vapor para generar propulsión, todo eso podría cambiar muy pronto.
De todos los 2700 CubeSats estimados y otros 'nanosatélites' que se han creado hasta la fecha, menos del 10% han tenido sus propios medios de propulsión. Esto los deja a merced de la gravedad y el arrastre atmosférico, lo que puede hacer que se desorbiten mientras aún son funcionales. Además, no pueden maniobrar y ajustar su órbita y apartarse del camino de otros satélites y desechos espaciales.
Objetos rastreables en órbita terrestre baja. Crédito: ESA
El Dr. Troy Howe (Ph.D.), director ejecutivo de Howe Industries, explicó en un comunicado de prensa de la empresa , el problema con las opciones de propulsión existentes es doble:
“Por un lado, estos sistemas requieren una potencia considerable para funcionar, extrayendo energía de la carga útil primaria. Y luego están los sistemas de propulsión más 'enérgicos' (por lo general, reducidos para su uso en satélites mucho más grandes). Estos dependen de líquidos tóxicos, altamente presurizados o incluso explosivos, como la hidracina.
“Esto es problemático ya que la mayoría de los CubeSats comparten un viaje a la órbita y los proveedores de lanzamientos no quieren poner en peligro su otra carga, a menudo más valiosa. Si bien el despliegue desde la Estación Espacial Internacional (que es común para CubeSats) excluye cualquier propulsión satelital que también podría representar un riesgo para la estación y el personal '.
La máquina de vapor ThermaSat supera estos obstáculos gracias a su tecnología patentada plug-n-play. Si bien el propulsor es agua corriente, ThermaSat se diferencia de las máquinas de vapor convencionales por depender de la energía solar. Esto lo proporciona una superficie óptica expuesta en el condensador de la unidad (en lugar de reflectores voluminosos y salientes) que convierten el agua en vapor sobrecalentado un instante antes de que salga disparada por la boquilla trasera.
Impresión artística del problema de los desechos orbitales. Crédito: UC3M
El motor también tiene la ventaja de ser compacto y liviano y consta de solo dos partes móviles. Sin embargo, puede entregar 1.800 Newton-segundos de impulso total (o 203 libras / s de impulso específico) usando solo 1 kg (2,2 libras) de propulsor (aproximadamente del tamaño de una tetera de 4 tazas). Esto es suficiente para mantener un CubeSat a una altitud de 375 km (233 millas) durante más de cinco años y en altitudes tan bajas como 250 km (155 millas) durante varios meses.
Sin propulsión, la órbita de un CubeSat a esta altitud se deterioraría en cuestión de semanas. Al poder mantener tales órbitas durante períodos de tiempo más largos, los satélites pequeños podrían proporcionar sensores remotos de mayor resolución y una menor latencia de las comunicaciones, lo que podría resultar útil en caso de un desastre natural o una crisis. Un satélite equipado con ThermaSat podría incluso alterar su órbita para ver mejor una situación en curso.
Los equipos de ingenieros de Howe están buscando mejorar la capacidad de su motor para que pueda permitir estancias prolongadas en órbitas aún más bajas, como una semana de duración a 150 km (90 millas) de altitud. Según a Jack Miller, el ingeniero de I + D del programa ThermaSat:
“El corazón del sistema es el condensador térmico único, hecho de materiales que cambian de fase, que concentra y almacena el calor solar recolectado en tan solo 20 pulgadas cuadradas de superficie expuesta. Usando una combinación de cristales fotónicos y espejos teñidos de oro, el capacitor completamente inerte alcanza una temperatura de funcionamiento abrumadora de 1,052K (1,433 Fahrenheit). Esto da como resultado una energía específica comparable a una batería de iones de litio, pero sin el potencial de explosión ”.
Concepto del rover HI-POWER. Crédito: Troy Howe / Howe Industries
Según Howe Industries Papel blanco , el sistema tiene un peso seco de 1445 g (3,2 libras) y 2445 g (5,4 libras) cuando está completamente cargado. Es capaz de admitir CubeSats de configuración estándar (2U), pero también se puede emparejar con cargas útiles de 1U, 4U y 16U. Puede generar hasta 200 m / s (656 pies / s) de aceleración (delta-V) y requiere de 2,3 a 4,6 vatios de energía eléctrica (proporcionada por paneles solares).
Además del mantenimiento de la estación, el ThermaSat se puede utilizar para elevar órbitas, para misiones de geolocalización (que requieren vuelo en formación), así como para desorbitaciones programadas y evitación de colisiones (probablemente se convierta en un requisito). El sistema también puede permitir un rápido despliegue de constelaciones (sin depender de la resistencia variable).
Dado que no requiere energía del satélite, el ThermaSat se puede utilizar para actualizar satélites más grandes con una unidad de propulsión adicional. Pero según Howe Industries, el mayor activo de su motor 'steampunk' es la forma en que puede habilitar una 'nueva clase de satélites inteligentes y autónomos capaces de transmitir datos e incluso de 'enjambrar' juntos para tareas específicas'.
Howe Industries desarrolló el ThermaSat con el apoyo proporcionado por el Fundación Nacional de Ciencia (NSF) como parte de una Fase I Investigación sobre innovación en pequeñas empresas (SBIR) subvención. Con el diseño ahora entregado a la NSF, Howe tiene la intención de obtener una subvención SBIR de la Fase II, que implicará la creación de un prototipo y su preparación para un vuelo de prueba en el espacio.
Howe Industries también ha diseñado una serie de aplicaciones para la NASA, incluida la Exo-reflector de tungsteno operado por Peltier de alta irradiancia (HI-POWER) y el Reactor ATEG de activación de sonda de enjambre Sonda (SPEAR). El concepto HI-POWER es un concepto de radiador de estado sólido liviano para vehículos móviles que puede garantizar la gestión térmica sin el volumen o la masa adicional que generalmente viene con dichos sistemas.
Mientras tanto, el concepto de sonda SPEAR requiere una nave espacial de propulsión nuclear que dependería de generadores termoeléctricos avanzados (ATEG) y un moderador de reactor liviano para reducir la masa. El resultado final de esto es una nave espacial liviana que podría permitir misiones de larga duración y rentables al espacio profundo, es decir, Marte, el cinturón de asteroides, Júpiter y más allá.
A principios de este año, el concepto HI-POWER fue seleccionado para la financiación de la Fase I como parte de la Conceptos avanzados innovadores de la NASA (NIAC) del programa Solicitud 2020 . De manera similar, la sonda SPEAR fue seleccionada para la financiación de la Fase I por el 2019 NIAC y fue seleccionado para el desarrollo de la Fase II por el NIAC 2020.
Para obtener más información, consulte Howe Industries Papel blanco y el ThermaSat Hoja de especificaciones .
Otras lecturas: Espacio diario , Industrias Howe