¿Es realmente tan complicada la ciencia de cohetes? El dicho “no es ciencia de cohetes”, le haría creer que sí. Y, alerta de spoiler: es cierto, incluso para los ingenieros aeroespaciales. La ciencia de cohetes, estar en el espacio y fabricar satélites son tareas muy difíciles. Este artículo analiza por qué el espacio es un lugar en extremo difícil para los sistemas electrónicos. Veremos cómo hemos superado algunas de las etapas más difíciles para llegar y estar presentes en el espacio, y destacaremos algunos de nuestros principales productos innovadores y comprobados, y preparados para el espacio.
Llegar al espacio
Para algunos componentes, lo más difícil de la industria aeroespacial es llegar a ella. Los seres humanos han hecho un trabajo fantástico para optimizar la velocidad y la comodidad de los viajes aquí en la Tierra; por ejemplo, la suspensión de los Rolls Royce y los lujosos asientos de los aviones privados. Pero los viajes espaciales aún no han visto el resurgimiento de la “comodidad”. En última instancia, el mayor desafío para llegar al espacio, son las vibraciones y la aceleración que implica el lanzamiento de un cohete. Con la tecnología actual de cohetes, muchos componentes se prueban hasta 14 Grms mientras están en tierra. Esto es para garantizar que puedan soportar la asombrosa potencia, el movimiento, la vibración y el sonido asociados al lanzamiento de uno de ellos. Dado que en la actualidad todos los satélites llegan al espacio por medio del lanzamientos de cohetes, estos deben diseñarse para soportar las mismas fuerzas extremas que el transportador. Básicamente, la ciencia de los satélites es igual de difícil (o incluso más) que la ciencia de cohetes.
Muchos componentes, como los semiconductores, funcionan de forma sorprendente, en condiciones de vibración y aceleración extremas. Sin embargo, hay que tener una consideración especial al momento de fijar estos componentes. Sus conexiones pueden ser puntos de fallo debido a las extenuantes vibraciones. Por otro lado, los componentes electromecánicos son especialmente propensos a fallar durante el lanzamiento, y menos propensos a sufrir fallos una vez en el espacio. En este caso, hay que tener muy en cuenta la selección de las interconexiones para su uso en conectores aeroespaciales. Deben ser capaces de soportar eventos mucho más extenuantes que la mayoría de los conectores en la tierra. Un ejemplo fantástico de conectores aeroespaciales de última generación es la Serie III MIL-DTL-38999 de Aerospace de Amphenol, que es capaz de operar sometidas a severas vibraciones de alta temperatura, hasta 200 °C. También cuenta con muchas otras características a prueba del espacio. Afortunadamente, estas vibraciones no son factores de diseño permanentes de los que deban preocuparse los ingenieros: la aceleración a la velocidad orbital se puede conseguir en cuestión de minutos.
Otra consideración de diseño relacionada con el viaje al espacio es la resistencia al choque térmico de una determinada pieza. Viajar desde la soleada y húmeda costa de Florida, donde se producen muchos lanzamientos de cohetes en los Estados Unidos, hasta la gélida temperatura de -100 grados °C (-148 grados °F) del espacio, puede ser en particular complicado para aquellos materiales altamente conductores del calor. Esto se debe a que pueden cambiar rápidamente de temperatura y crear tensiones catastróficas en el material.
El espacio exterior, su entorno
Sin embargo, una vez que el satélite está en el espacio, hay que tener en cuenta consideraciones de diseño totalmente diferentes para el entorno en el que se encontrará. Al igual que el ecosistema de Islandia varía del ambiente en la Polinesia Francesa, el espacio exterior varía en gran medida en función de su distancia a la Tierra. Según el lugar del espacio en el que se encuentre un sistema electrónico, hay que tener en cuenta consideraciones muy distintas para adaptarse a los desafíos que presenta su entorno habitado.
La presión en el espacio
El espacio es vacío. Contiene una presión relativamente nula en comparación con la presión atmosférica en la Tierra. Como todas las piezas de un satélite se fabrica en la Tierra, adopta de manera intrínseca las presiones atmosféricas que se experimentan durante su fabricación. Sin embargo, cuando estos componentes se ubican en el vacío, pueden tener un comportamiento muy distinto al que tienen a presión atmosférica. Para garantizar que los componentes duren en el espacio, cada uno de ellos se debe probar en una Cámara de vacío térmico (TVAC) que simula las condiciones de temperatura y ausencia de presión del espacio. Por ejemplo, si, por un defecto de fabricación, la goma aislante de un conector tuviera una pequeña burbuja de aire encapsulada en su interior, esa bolsa de aire podría causar una explosión catastrófica en condiciones de vacío.
Además, todos los materiales desprenden gases al vacío, por lo que liberan cantidades relativamente considerables de material gaseoso, que pueden obstaculizar, de manera considerable, los componentes adyacentes. Por ejemplo, de esta forma, los materiales desgasificados pueden recubrir los paneles térmicas o solares. Esto puede afectar, de manera negativa la eficiencia, empañar los sensores o la óptica, e incluso corromper las propiedades térmicas esenciales de los materiales adyacentes. Por lo general, para reducir la cantidad de material gasificado liberado en el espacio, los materiales de los satélites y los componentes eléctricos se desgasifican en cámaras TVAC antes de enviarse al espacio exterior.
Degradación de los rayos UV
La mayoría de los satélites en órbita terrestre baja, incluida la Estación Espacial Internacional, se encuentran en la termosfera. En estas zonas, la degradación de los rayos UV influye de manera negativa en las propiedades de los materiales de los componentes electrónicos. La degradación por rayos UV puede, incluso, cambiar la composición molecular de los materiales, en concreto, al eliminar los átomos de oxígeno de los materiales que lo contienen. Por consiguiente, los subsistemas de control térmico pueden no funcionar de forma correcta, la óptica puede degradarse y los paneles solares pueden ser menos eficientes. Los satélites que permanecerán en órbita terrestre baja deben utilizar un blindaje especial contra rayos UV para sus sistemas electrónicos. Esto es para garantizar que no se produzca una degradación por rayos UV que haga que los componentes no funcionen.
Presencia de partículas
La termosfera se encuentra aproximadamente entre 85 km y 500 km por encima de la superficie terrestre, pero todo el entorno neutro se encuentra entre 100 km y 1000 km, e incluye tanto la termosfera como la exosfera. En este entrono, existen cantidades de moléculas de oxígeno, nitrógeno y helio. Sin embargo, la misma energía ultravioleta del sol que provoca la degradación de los materiales de los satélites, también provoca la degradación molecular del oxígeno, el nitrógeno y el helio, que forman sus respectivas versiones atómicas. El oxígeno atómico puede oxidar las naves espaciales, lo que puede provocar una eventual erosión de los materiales. Por lo tanto, hay que tomar precauciones especiales a la hora de seleccionar los componentes, en función de su exposición al entorno espacial.
Presencia de iones
En dos zonas concretas del espacio cercano a la Tierra, denominadas cinturones de radiación de Van Allen, los electrones e iones quedan atrapados en bandas específicas del campo magnético terrestre. Estos cinturones existen entre 500 km y 6000 km y entre 13000 km y 60000 km de la superficie terrestre. Estas condiciones crean un entorno de plasma, que está formado por partículas cargadas de energía solar que interactúan con los átomos, que crean iones y electrones libres. Estas partículas cargadas que se encuentran atrapadas en el campo magnético de la Tierra pueden aterrizar en los satélites y crear una acumulación de carga que es similar a la energía estática (por ejemplo: cuando frota los pies en la alfombra). Si esta acumulación se produce en zonas aisladas del satélite, puede desarrollarse un gradiente eléctrico y la energía acumulada puede acabar creando un arco. Muchos componentes electrónicos son en extremo sensibles a los arcos, por lo que deben tomarse precauciones especiales en los diseños de los sistemas electrónicos para evitar que se produzcan eventos de arcos catastróficos.
Ambiente radioactivo
En la Tierra, la radiación solar es, por lo general, absorbida por las partículas de nuestra atmósfera, y ciertas capas de esta absorben bandas específicas de radiación. Sin embargo, algunas órbitas de satélites son susceptibles de sufrir entornos de radiación muy elevados. Esto puede crear condiciones indeseables en las que un solo protón o neutrón, o los electrones liberados por el sol o los rayos cósmicos galácticos, pueden atravesar los materiales. La fuente más común de trastornos de un solo evento son los rayos cósmicos galácticos, pero también pueden existir otras formas de exposición a estas partículas cargadas. Los satélites situados fuera de la magnetosfera de la Tierra son, en especial, propensos a estos entornos de radiación de partículas libres. En general, la magnetosfera protege a la Tierra de estos eventos radioactivos. Los satélites con menor altitud e inclinación tienen menos probabilidades de sufrir los efectos de los eventos solares, ya que están bien protegidos por la magnetosfera.
Por desgracia, estas partículas libres pueden provocar una alteración de un evento en particular (cambiar un 0 binario por un 1), lo que significa que un sensor puede leer con exactitud lo contrario a la señal real, lo que puede influir de manera equivocada en un programa. Además, estas partículas cargadas pueden corromper, de manera potencial, los datos almacenados en la memoria de la CPU durante la ventana de retención de un proceso. Esto puede causar un daño irreparable en la CPU. Dado que la velocidad de la CPU aumenta para casi todos los procesos aquí en la Tierra, rara vez se encuentran velocidades de reloj más altas en las CPU espaciales. Esto se debe a que el aumento de la velocidad (es decir, más ventanas de retención), hace que la CPU sea más vulnerable. Los científicos lo han mitigado “al endurecer” el material del semiconductor, al fabricarlo con zafiro o arseniuro de galio, ambos menos susceptibles a la radiación que el silicio. Sin embargo, endurecer los semiconductores de esta manera requiere una revisión completa de una fundición de semiconductores, lo que implica precios astronómicos.
Otras metodologías, como la RHBD, implementan la fabricación estándar de CMOS, y construyen redundancias para lograr la resistencia contra la radiación. La triple redundancia modular, por ejemplo, crea tres copias idénticas de cada bit de la memoria. Durante la lectura, se leen las tres copias y se elige la “correcta” por mayoría. Esto reduce la capacidad de una sola partícula para corromper la memoria. Dos partículas tendrían que interactuar de forma simultánea con dos copias de bits idénticas distintas, en lugares distintos del chip, para crear un falso positivo durante la fase de lectura.
Conclusión
Existe una gran cantidad de factores ambientales presentes en varias zonas del espacio, lo que lo hace casi inhóspito para la electrónica. Para evitar el fallo de cualquier sistema presente en un satélite, hay que tomar muchas precauciones. Esto es de suma importancia, ya que la ingeniería aeroespacial no puede limitarse a llevar un satélite desplegado a un “taller de reparación”. La extrema especialización de cada satélite requiere un seguimiento exhaustivo, una atención en el diseño y una precisión meticulosa por parte de casi todos los ingenieros implicados.
