Como todas las demás tecnologías, la tecnología satelital ha crecido a pasos agigantados en las últimas dos décadas. Los satélites pueden monitorear la Tierra en resoluciones cada vez más altas, lo que ayuda en todo, desde el pronóstico de tormentas hasta el monitoreo del cambio climático y la predicción de las cosechas. Pero hay una cosa que todavía frena a los satélites: la altitud.
Los satélites podrían recopilar más datos con mejores resoluciones si pudieran orbitar más bajo y más cerca de la Tierra. Los satélites de comunicaciones también tendrían una latencia más baja. Pero cuanto más se acercan, más arrastre atmosférico hay, lo que hace que su órbitas para decaer más rápidamente, a veces en pocas semanas.
La Agencia Espacial Europea (ESA) podría tener una solución: dejar respirar a los satélites.
La mayoría de los satélites no orbitan más cerca de la Tierra que unos 300 km (190 millas). Cuanto más cerca está un satélite de la Tierra, más densos son los gases atmosféricos. Colocar un satélite a baja altitud significa que su órbita decaerá más rápido debido al arrastre. El Hubble, por ejemplo, orbita a unos 540 km (336 millas). La Estación Espacial Internacional orbita entre 330 km (205 millas) y 410 km (255 millas), pero tiene motores para impulsar su órbita.
Click para agrandar. Este gráfico ilustra las altitudes orbitales de algunos de los satélites de la Tierra. Crédito de la imagen: Por Rrakanishu - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4189737
Los motores de la ISS no son aplicables a los satélites, pero el sistema de la ESA sí lo es. Es un sistema ram-jet que respira aire que se está desarrollando a través del Programa de Tecnología de Apoyo General (GSTP) de la ESA. El GSTP es un programa al estilo de una incubadora que ayuda a que los conceptos prometedores se conviertan en tecnología utilizable.
Con este sistema, desarrollado por la ESA, el Instituto Von Karmann y el Politechnico di Milano, el problema de la resistencia atmosférica se convierte en su propia solución. A medida que la atmósfera se vuelve más espesa cerca de la Tierra, esa atmósfera también contiene más oxígeno. Este sistema puede recolectar ese escaso oxígeno y usarlo como propulsor, manteniendo los satélites en órbita a altitudes más bajas que antes.
Una hipotética misión espacial futura con respiración de aire en órbita baja alrededor de la Tierra. Crédito de la imagen: ESA
La ESA ha probado sistemas de propulsión satelital en el pasado, incluido uno que transportaba 40 kg de xenón como propulsor. Fue llamado GOC E, o Explorador de circulación oceánica en estado estable y campo de gravedad. Al operar más cerca de la Tierra que otros satélites, pudo mapear la gravedad de la Tierra con mayor precisión que nunca. Pero su propulsor de xenón se agotó después de aproximadamente 3,5 años y fue destruido cuando entró a la atmósfera.
Pero este nuevo sistema no necesita xenón. Utiliza el oxígeno delgado en la atmósfera superior como combustible para su propulsor de iones, y esa innovación podría agregar años a la vida de los satélites de menor altitud.
Las moléculas de aire en la parte superior de la atmósfera son capturadas por un nuevo tipo de entrada, luego recolectadas y comprimidas hasta el punto de convertirse en plasma ionizado termolizado, momento en el que se les puede dar una carga eléctrica para acelerarlas y expulsarlas para proporcionar empuje. . La propulsión eléctrica que respira aire podría hacer factible una nueva clase de misiones de larga duración y de baja órbita. Crédito de la imagen: ESA – A. Di Giacomo
Reunir la fina atmósfera requiere una ingesta especialmente diseñada. La empresa italiana Sitael construyó un propulsor de prueba completo y lo puso en funcionamiento dentro de una cámara de vacío, con la cámara simulando las condiciones a una altitud de 200 km (124 millas). Un generador de flujo de partículas produjo el flujo de atmósfera simulado a esa altitud.
El diseño simple del sistema lo hace aún más atractivo. No hay partes móviles. Todo es relativamente simple y pasivo. Todo lo que se necesita es electricidad del sistema de energía a bordo del satélite.
El propulsor de prueba construido por Sitael. La entrada, a la derecha, recoge las moléculas de aire para que, en lugar de simplemente rebotar, se recojan y compriman. Las moléculas recolectadas por la ingesta reciben cargas eléctricas para que puedan acelerarse y eyectarse para proporcionar empuje. Crédito de la imagen: ESA / Sitael
En las pruebas, el sistema funcionó bien. Inicialmente, querían probar la capacidad de recolectar y comprimir suficiente aire para que el dispositivo funcione. Pero decidieron probarlo más.
Conectaron un propulsor eléctrico para ver si el sistema podía acumularse y presurizarse lo suficiente para el encendido. Primero, lo probaron con xenón y tuvo éxito. Luego reemplazaron parte del xenón con una mezcla de nitrógeno y oxígeno, y eso también tuvo éxito.
En la primera etapa de las pruebas, utilizaron xenón como combustible y se iluminó en azul. Cuando cambiaron de xenón a oxígeno-nitrógeno, el color cambió y supieron que la prueba había sido exitosa. Crédito de la imagen: ESA / Sitael
En la prueba final, el xenón se reemplazó por completo con la mezcla de nitrógeno y oxígeno y pudo encenderse repetidamente.
'Cuando el color azul basado en xenón de la pluma del motor cambió a violeta, supimos que lo habíamos logrado', dijo Louis Walpot de la ESA. 'El sistema finalmente se encendió repetidamente únicamente con propulsor atmosférico para probar la viabilidad del concepto'.
'Este resultado significa que la propulsión eléctrica que respira aire ya no es simplemente una teoría, sino un concepto tangible y funcional, listo para ser desarrollado, para servir algún día como base de una nueva clase de misiones', dijo Walpot en un presione soltar .
Han pasado un par de años desde estas pruebas y el sistema aún se está desarrollando. Si funciona en términos prácticos, tiene un gran potencial. La ESA dice que el sistema podría permitir que los satélites operaran continuamente a altitudes entre 180 km (112 millas) y 250 km (155 millas).
La eficacia del motor se basa en gran medida en la entrada de aire especialmente diseñada. Recolectar y concentrar suficientes moléculas de aire de la fina atmósfera es un desafío.
El motor no solo puede permitir que los satélites orbiten la Tierra más de cerca, y para hacer un mejor trabajo, podría ser aplicable a misiones a otros planetas o lunas. Marte, por ejemplo, tiene algo de atmósfera, y es posible que un sistema como este permita que un satélite funcione a una altitud más baja en ese planeta.