material espacial
Dennis Lenz
(Imagen simbólica generada por inteligencia artificial) ArboSat prueba madera compactada como material estructural para satélites. Se dice que el material tiene una capacidad de carga similar al aluminio, pero con un peso menor. En el espacio tiene que hacer frente al vacío, a la radiación y a fuertes cambios de temperatura. Lo crucial es si la muestra conservará sus propiedades después de su estancia en la EEI.
(Foto: © Investigación y conocimiento, imagen de IA)
Un trozo de madera compactada del tamaño de la palma de la mano estará expuesto a las condiciones espaciales en la Estación Espacial Internacional durante seis meses. El proyecto suizo ArboSat está probando un material estructural que se espera que tenga una capacidad de carga similar al aluminio, pese menos y se queme completamente durante el reingreso. Detrás del discreto trozo de madera se esconde una cuestión técnica de creciente importancia: ¿Qué pasaría si cada vez más satélites se quemaran en la atmósfera al final de sus vidas?
En una exposición en la ETH Zurich, la atención se centra actualmente en una muestra de material marrón que se encuentra lejos de cualquier laboratorio común. El π Innovation Hub de ETH Zurich Space está desarrollando ArboSat junto con Swiss Wood Solutions para probar madera densificada para estructuras espaciales. El material se obtiene a partir de madera natural mediante un tratamiento termohidromecánico sin aditivos químicos. La superficie parece más densa y uniforme que la de la madera común, manteniendo al mismo tiempo la estructura fibrosa básica.
El director técnico Michael Gschweitl describe el proyecto como un paso hacia una nueva clase de materiales para naves espaciales pequeñas. A diferencia de una carcasa decorativa de madera, se trata de piezas portantes cuya rigidez, resistencia, comportamiento de desgasificación y estabilidad dimensional en vacío son cruciales. Antes de su uso, estos componentes también deben resistir las vibraciones durante el lanzamiento de un cohete, la radiación en órbita y los cambios rápidos entre la luz solar intensa y las sombras. Por lo tanto, ArboSat combina el desarrollo de materiales con un programa de pruebas que combina pruebas de laboratorio y exposición al espacio real.
ETH Zurich compacta madera sin aditivos químicos
La idea técnica parte de una desventaja bien conocida de la madera natural: hay mucho espacio vacío entre las paredes celulares y las propiedades mecánicas dependen en gran medida de la dirección de las fibras, la humedad y los defectos internos. Durante el tratamiento termohidromecánico se combinan de manera selectiva calor, humedad y presión, de modo que el material se comprime y su estructura interna se densifica. Swiss Wood Solutions ya utiliza este principio para materiales de madera pesados; para ArboSat está adaptado a las necesidades de los viajes espaciales.
Un material de este tipo debe poder hacer algo más que proporcionar una alta resistencia a la tracción o a la compresión. En el vacío, los componentes volátiles pueden escapar de los materiales y contaminar la óptica sensible o las superficies de los sensores, por lo que una baja desgasificación es particularmente importante para los satélites. Además, los ciclos térmicos cambian las dimensiones de muchos materiales, lo que significa que las uniones roscadas, las placas de circuitos impresos y los componentes ensamblados con precisión pueden perder su posición. Por lo tanto, el proyecto investiga no sólo la capacidad de carga máxima, sino también la estabilidad dimensional y el envejecimiento en condiciones que rara vez ocurren simultáneamente en la Tierra.
SmallSat Europe prueba la resistencia y el comportamiento del vacío
En la conferencia SmallSat Europe, el equipo presentó este enfoque como una alternativa sostenible a las estructuras metálicas para satélites pequeños. En la descripción técnica los principales objetivos son alta resistencia mecánica y rigidez, baja desgasificación y resistencia a la radiación, al vacío y a temperaturas extremas. Estas propiedades no pueden deducirse simplemente del material de partida natural, sino que deben demostrarse experimentalmente en la variante comprimida. Por lo tanto, las pruebas en vuelo sirven como complemento a los bancos de pruebas y a las cámaras climáticas, no como sustitutos de los mismos.
Para los desarrolladores de satélites pequeños, la masa es un costo directo y un factor de diseño porque cada gramo adicional debe acelerarse dejando menos espacio para la carga útil, la energía o los sistemas de protección. Por lo tanto, un material con una capacidad de carga similar pero con una densidad menor puede resultar interesante, aunque no sustituya al aluminio en todas partes. Las antenas, los conductores de calor, los elementos de conexión y las zonas altamente sometidas a estrés térmico tienen requisitos diferentes a los de las paredes laterales o los elementos estructurales internos. Un futuro satélite de madera probablemente sería un sistema híbrido en el que se combinarían diferentes materiales según su función.
La alúmina permanece a gran altura después de su reingreso.
Los antecedentes ecológicos de ArboSat no residen en los desechos espaciales que giran en órbita como grandes fragmentos, sino en el material que se vaporiza durante el reingreso controlado o natural. Un análisis en Cartas de investigación geofísica Modeló a nivel atómico cómo se oxida el aluminio al ingresar a la atmósfera superior. Para un satélite típico con una masa de 250 kilogramos, los autores calcularon que se pueden producir alrededor de 30 kilogramos de nanopartículas de óxido de aluminio a gran altura. Las partículas se hunden lentamente y podrían permanecer en la atmósfera durante décadas.
El óxido de aluminio tiene superficies en las que se pueden favorecer reacciones químicas con compuestos que contienen cloro. Esto puede producir cloro activo, que agota la capa de ozono, por lo que ahora se estudia como un tema atmosférico aparte el creciente número de naves espaciales en llamas. Otro enfoque de modelización concluye que las megaconstelaciones futuras podrían llevar la entrada de material antropogénico a la atmósfera superior a la misma magnitud que la entrada de meteoritos naturales. El efecto exacto sigue siendo incierto porque el tamaño de las partículas, la composición química y los perfiles reales de reentrada aún no se miden adecuadamente.
Investigación y Conocimiento ya ha informado de que el auge de los satélites está contaminando la atmósfera superior con partículas metálicas. ArboSat parte de un punto diferente: el material debe garantizar durante la construcción que parte de la estructura se queme como material que contiene carbono al final de la misión en lugar de generar más óxidos metálicos. La magnitud del beneficio de un sistema satelital completo depende de todos los demás componentes.
Japón ha aportado un enfoque diferente a la madera con LignoSat
La madera en el espacio no es una idea completamente nueva. Un proyecto japonés de la Universidad de Kyoto y Sumitomo Forestry ha desarrollado LignoSat, un pequeño satélite con elementos de madera destinado a mostrar cómo se comporta la madera de magnolia sin tratar en el espacio. La investigación y el conocimiento ya se habían recogido en el desarrollo inicial de este enfoque en el artículo Japón desarrolló satélites de madera. ArboSat destaca por su material especialmente compactado y por la cuestión de si un material de madera técnicamente optimizado puede sustituir a los materiales estructurales clásicos.
Esta diferencia es particularmente importante para la investigación de materiales. La madera natural tiene una arquitectura celular compleja que puede ser ligera, rígida y sorprendentemente fuerte a nivel local, pero cuyas propiedades fluctúan más que los metales industrialmente homogeneizados. Mediante la compactación, se puede reducir la porosidad y la carga se puede distribuir sobre una estructura de pared celular más sólida. Al mismo tiempo, el tratamiento no debe alterar el material de tal manera que el estrés térmico, el agrietamiento o la sensibilidad a la humedad causen nuevos problemas. Sólo mediciones comparativas antes y después de permanecer en órbita pueden mostrar qué propiedades permanecen estables.
El experimento de la ISS mide los daños tras la exposición al espacio real
Después de estar en el espacio, el material debería regresar a la Tierra y ser medido nuevamente. Son de interés los cambios en la superficie, así como la resistencia, rigidez y posibles daños microscópicos en el interior. La radiación ultravioleta puede cambiar químicamente las estructuras orgánicas, las partículas de alta energía pueden romper los enlaces y el calentamiento y enfriamiento repetidos crean tensión mecánica. Un laboratorio puede aislar bien los factores individuales, mientras que la exposición real revela su efecto combinado.
Lo que resulta especialmente valioso para el equipo es que se puede examinar la misma muestra antes y después del vuelo. Los cambios de color o una superficie rugosa serían fácilmente visibles, pero los datos de los análisis de tracción, flexión y materiales son más importantes. Si las características mecánicas permanecen dentro de las tolerancias requeridas, la siguiente fase de desarrollo de cupones de material podría conducir a piezas estructurales más grandes. Si se producen daños importantes, en función del tipo se puede determinar si se requieren recubrimientos, diferentes grados de compactación o una orientación diferente de las fibras.
Más de 100.000 satélites previstos agravan el problema material
El momento del experimento es relevante porque el número de pequeñas naves espaciales está creciendo rápidamente. ETH Zurich habla de más de 100.000 satélites adicionales previstos para redes futuras. Cuanto más frecuentemente se reemplazan estos sistemas, más atención se les presta, junto con las emisiones de lanzamiento y los desechos espaciales. Medidas como frenar las velas para un descenso más rápido y controlado resuelven una tarea diferente a la de los materiales estructurales alternativos: reducen el tiempo en órbita, pero no cambian automáticamente la química de la combustión.
Para ArboSat, la decisión sobre los materiales se realiza después del transporte de regreso. Los ingenieros deben comprobar si el material aún tiene reservas suficientes para factores de seguridad reales después de cambios en la radiación, el vacío y la temperatura y si la tecnología de producción y conexión funciona de manera reproducible. Sólo entonces será posible evaluar qué partes del satélite podrían estar hechas de madera comprimida. La siguiente etapa visible no sería un satélite de madera completo, sino un componente estructural más grande y funcional, cuyo comportamiento de vuelo sería directamente comparable al de una versión metálica convencional.
ETH Zurich, ArboSat: satélites de madera
SmallSat Europe, Arbosat: madera mejorada para un espacio sostenible
Cartas de investigación geofísica, posible agotamiento de la capa de ozono debido a la desaparición de satélites durante el reingreso a la atmósfera en la era de las megaconstelaciones; doi:10.1029/2024GL109280
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