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Espacio

Conquistas espaciales

El programa Uniespacio desarrolla innovaciones tecnológicas para proyectos de cohetes y satélites

Hacia fin de año, si todo sale bien, el prototipo de un nuevo cohete de aluminio, totalmente proyectado y construido en Brasil estará listo para ser lanzado al espacio desde el Centro de Lanzamiento de Barreira do Inferno, en Natal, Río Grande do Norte. El vehículo, con 3,2 metros de longitud, está siendo finalizado por científicos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Brasilia (UnB). Forma parte de uno de los 15 proyectos que integran el Programa Uniespacio, que lleva adelante la Agencia Espacial Brasileña (AEB), que tiene como objetivo promover la inserción de la comunidad científica nacional en el Programa Espacial Brasileño y fomentar el desarrollo de nuevas tecnologías para el sector. Luego de casi tres años de investigación — y el esfuerzo de cerca de 50 investigadores de diversas universidades e institutos de investigación —, los resultados comienzan a aparecer.

“Los 15 proyectos son de gran aplicación en actividades de la AEB en áreas como lanzamiento de vehículos espaciales y satélites, computadoras de a bordo para aplicación espacial, sensores y comandos para sistemas de control de altitud en satélites y materiales destinados a soportar altas temperaturas”, dice José Bezerra Pessoa Filho, jefe de la División de Sistemas Espaciales del Instituto de Aeronáutica y Espacio (IAE), de São José dos Campos, y miembro de la Comisión Técnico-Científica de Uniespacio.

Además del desarrollo de esas nuevas tecnologías, los proyectos también contribuyen para formar mano de obra especializada para el programa espacial, que cuenta con una osada agenda de misiones para los próximos años. El país pretende promover, hasta 2014, el lanzamiento de tres versiones de Vehículo Lanzador de satélites (VLS), además de colocar en órbita o participar de trabajos conjuntos en más de una decena de satélites científicos, meteorológicos, de telecomunicaciones y de observación de la Tierra. Uno de esos macro proyectos es la segunda generación de los Satélites Sino-Brasileños de Recursos Terrestres (Cbers-3 y 4), con previsión de lanzamiento para 2008 y 2011 respectivamente, llevando a bordo cámaras totalmente producidas en el país (ver cuadro de la página 71). Antes de eso, el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) espera lanzar, en mayo de 2007, el Cbers-2B en sustitución del segundo satélite de serie, que fue al espacio en 2003. El cohete proyectado por la UnB es un buen ejemplo del éxito de Uniespacio, que recibió la suma de R$ 1 millón del gobierno federal para financiar los proyectos. El vehículo, proyectado para sobrepasar los 10 mil metros de altitud, dispone de una tecnología inédita en América Latina: su propulsor está dotado de un sistema híbrido que funciona a partir de la mezcla de un oxidante líquido, el óxido nitroso (N2O), y un combustible sólido, la parafina, semejante a la utilizada en la fabricación de velas. La principal ventaja de ese tipo de combustible es que es más barato y simple para ser operado. “Gracias a una válvula que controla la inyección del oxidante líquido, la combustión puede ser interrumpida en cualquier momento y, por eso, su manipulación es más segura”, dice el profesor Carlos Alberto Gurgel, coordinador del proyecto. Por no mencionar que el combustible híbrido no es tóxico ni contaminante.

El trabajo comenzó a ser desarrollado por alumnos de grado de ingeniería mecánica de la UnB, en el 2000, en el ámbito del Programa Uniespacio, y fue liderado por el ingeniero Ricardo Contaifer. Los resultados pueden, en el futuro, ayudar al país a adquirir tecnología para el uso de combustibles líquidos en cohetes, la más utilizada en vehículos espaciales.

La investigación llevada adelante por el ingeniero mecánico Carlos Henrique Marchi, coordinador del programa de postgrado en ingeniería mecánica de la Universidad Federal de Paraná (UFPR), también está asociada al desarrollo de cohetes de gran porte, mayores que el VLS, que utilizan oxígeno o hidrógeno líquido como propelentes. La finalidad principal de ese proyecto es la creación de aplicaciones (software) que permita proyectar esos motores, utilizados actualmente por el cohete francés Ariane y por el trasbordador norteamericano, entre otros. “Son objetivos de la investigación, la previsión del empuje (o fuerza) producido por el motor, la temperatura máxima alcanzada por las paredes de ese mecanismo y la caída de presión de desagüe del líquido refrigerante a lo largo de los canales alrededor del motor-cohete”, destaca Marchi.

De acuerdo con el investigador, son pocos los grupos de investigación a nivel mundial que trabajan sobre los tres subsistemas: desagote del motor junto con la conducción  de calor hacia las paredes y el desagüe en los canales. “Aun así esos grupos no realizan estimaciones de los errores numéricos ligados a la solución del problema”, resalta. “Es preciso estimar el error numérico en una simulación. De este modo, es posible comparar en forma adecuada resultados experimentales con los numéricos y verificar si el modelo de simulación reproduce el fenómeno real”.

Otra investigación importante para que el país avance en la exploración espacial se está desarrollando en los laboratorios de la Universidad Federal de Río Grande do Norte (UFRN). Allí, el ingeniero eléctrico Francisco das Chagas Mota coordina un grupo que desarrolla un receptor de GPS (sigla en inglés para Sistema de Posicionamiento Global por Satélite) para ser utilizado en vehículos espaciales como cohetes de sondeo y satélites. “El equipamiento sirve para determinar con precisión la velocidad y la posición del cohete o del satélite en el espacio. Su principal innovación es la incorporación de ciertas características, principalmente de software, que no se hallan presentes en receptores disponibles comercialmente, como la capacidad de funcionar en elevadas altitudes y en alta velocidad sin perder el sincronismo con la señal del satélite”, afirma Mota.

El proyecto se halla en la fase final de montaje de la máquina, y en caso que no ocurran imprevistos, el receptor será instalado en un cohete de sondeo a ser enviado al espacio en el próximo año, desde Barreira do Inferno. “Actualmente los cohetes de sondeo lanzados en el país empleaban receptores de GPS importados. Con ese proyecto, dominaremos la tecnología de GPS adecuada para esos vehículos y, en el futuro, para la utilización en satélites”.

El físico Marcelo Carvalho Tosin, del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Estadual de Londrina (UEL) (Paraná, Brasil), y el profesor Francisco Granziera Júnior trabajan en el desarrollo de un dispositivo con potencial para ser embarcado en vehículos aeroespaciales. Se trata de un aparato capaz de calcular en tiempo real la actitud a partir de señales digitalizadas de sensores micro electromecánicos o MEMS (Micro-Electro. Mechanical Systems). “La actitud de un objeto es la orientación que éste presenta en relación con un eje de coordenadas fijas (latitud, longitud y altitud)”, explica el investigador. Conocer la actitud y el movimiento de un objeto es importante para diversas aplicaciones, como por ejemplo, para el reconocimiento y previsión que hace un piloto de su trayectoria durante el vuelo.

Un determinante de actitud está normalmente compuesto por sensores y una unidad para el procesamiento de las señales de esos sensores. En el caso del aparato concebido en Londrina, el sistema utiliza informaciones en 3D acerca del campo magnético terrestre, el campo gravitacional y la velocidad angular para el cálculo de la actitud. Para eso, un conjunto de magnetómetros, instrumentos destinados a la medición de la intensidad del campo magnético; acelerómetros, utilizados para medir aceleraciones; y girómetros, que proveen información sobre la velocidad angular en una dirección dada, son empleados en conjunto con un sistema de digitalización y procesamiento de datos. Un prototipo ya se halla listo y el proyecto será concluido con la implementación de algoritmos de calibración y alineamiento de sensores. Según Marcelo Tosin, aunque posea aplicaciones aeroespaciales, el determinante de actitud que está desarrollando también es requerido para el uso terrestre y personal como sistemas de navegación personal, sistemas de seguridad para monitoreo de cargas, dispositivos para interacción con juegos de computadora y juguetes para niños. “El sector aeroespacial es uno de los que más contribuirán para agregar nuevas tecnologías a productos de consumo masivo, tales como electrodomésticos, automóviles y vestuario entre otros. El uso de sensores MEMS de bajo costo en un determinante de actitud y la posibilidad de emplearlo en productos de uso cotidiano, conforman dos grandes novedades de ese proyecto”, dice Tosin.

Estructuras cilíndricas
Uno de los proyectos más innovadores de Uniespacio está siendo realizado en colaboración entre la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y el Centro de Desarrollo de Tecnología Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CDTN/CNEN) y trata acerca del desarrollo de materiales compuestos (constituidos por la mezcla de materiales de distinta naturaleza) de interés para el sector aeroespacial, siendo los nanotubos de carbono uno de esos constituyentes. Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas formadas por átomos de carbono, con diámetro de cerca de 1 nanómetro (1 milímetro dividido 1 millón de veces) y longitud ilimitada. Ellos pueden presentar características metálicas o de semiconductores y son óptimos conductores térmicos y eléctricos, además de poseer extrema resistencia a la tracción y pueden ser torsionados y doblados sin que se produzca ruptura.

Todas esas propiedades hacen de los nanotubos de carbono los candidatos ideales para refuerzos en compuestos poliméricos para sectores estratégicos, como los nanocompuestos de resina epoxi o resina fenólica empleados en el fuselaje de cohetes y otros vehículos aeroespaciales. La resistencia de la estructura de las aeronaves es importante principalmente durante el reingreso de los vehículos en la atmósfera terrestre. “El uso de materiales compuestos de resina polimérica y nanotubos de carbono, inicialmente en lugares estratégicos de la estructura de vehículos espaciales, podría traer provecho en cuanto a las propiedades mecánicas, como también en la disipación de calor y carga electrostática, minimizando los daños causados por el bombardeo de iones”, dice la investigadora del CTDN, Clascídia Furtado, una de las coordinadoras del proyecto junto con la profesora Glaura silva, de la UFMG. Los beneficios del uso de una cobertura de nanotubos en la estructura de las aeronaves, representa también una barrera funcional de bajo peso para evitar interferencias electromagnéticas.

Los nanotubos también pueden resolver los daños estructurales y de alteración de dispositivos electrónicos en aeronaves, debidos al fenómeno de lightning (descargas ocurridas durante tormentas eléctricas). Materiales altamente conductores basados en nanotubos de carbono podrían disipar las cargas devenidas de una descarga eléctrica. “El gran desafío consiste precisamente en transferir el conjunto de propiedades de los nanotubos hacia un sistema compuesto, lo cual depende principalmente del grado de dispersión de los nanotubos y de las interacciones interfaciales entre ellos y la matriz polimérica”, dice Clascídia. “Nos encontramos trabajando en lo que he llamado investigación ‘precompetitiva’, en la cual la tecnología está siendo desarrollada al mismo tiempo que la investigación fundamental”. Según la investigadora, Brasil no se halla desfasado en relación con otros países en la búsqueda de tales tecnologías.

Fotografía espacial
Los Satélites Sino-Brasileños de Recursos Terrestres (Cbers), versiones III y IV, desarrollados en cooperación con China, van a salir al espacio con dos de las cuatro cámaras fotográficas, proyectadas y construidas exclusivamente en Brasil. Una de ellas, la Cámara Multi-Espectral (MUX), ya pasó a mediados de este año por los primeros test en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe).

Desarrollada por Opto Electrónica, una empresa de base tecnológica de la ciudad paulista de São Carlos, la nueva cámara genera imágenes en cuatro bandas del espectro electromagnético, desde el azul al infrarrojo próximo. Con una sensibilidad de 20 metros de resolución, ella está destinada al monitoreo ambiental y gerenciamiento de recursos naturales. Su campo de visualización, la franja del suelo visualizada por la cámara, es de 120 kilómetros de largo. “Es la primera cámara con esas características enteramente desarrollada y producida en Brasil”, afirma el ingeniero del Inpe Mário Luiz Selingardi, gerente técnico del Proyecto MUX.

La segunda cámara será una actualización de la Cámara de Imágenes de Amplio Campo Visual (WFI, sigla en inglés de Wide Field Imager). Ella está siendo desarrollada conjuntamente por Opto Electrónica, responsable de la parte óptica, en colaboración con Equatorial Sistemas, empresa de São José dos Campos especializada en la fabricación de dispositivos espaciales, y que fue adquirida recientemente por la compañía francesa EADS. Se trata de una cámara de resolución media, con 64 metros, y alto rango de cobertura. Funciona como una cámara de lente grande angular y tiene un campo de alcance de 866 kilómetros.

La inversión realizada en el desarrollo de las dos cámaras alcanza a R$ 90 millones. “La fabricación de esos equipamientos en Brasil representa un logro tecnológico importante. Las empresas relacionadas se capacitan en áreas de tecnología de avanzada, lo cual impulsa el desarrollo de otros productos”, destaca el ingeniero del Inpe Marcos Bertolino, responsable técnico por el proyecto de la WFI.

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