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INGENIERÍA AEROSPACIAL

Más espacio para conquistar

Brasil cuenta ya con propulsores y catalizadores, los dos componentes esenciales para la fabricación de satélites

Sin alardeos, Brasil se apresta a dar un gran paso para dominar definitvamente la tecnología de fabricación de satélites artificiales. Investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, por su sigla en portugués), dependiente del Ministerio de la Ciencia y Tecnología, y de la empresa Fibraforte Enghenharia, de la ciudad de São José dos Campos, concluyeron con éxito una secuencia de pruebas para la validación de un propulsor para satélites y de un catalizador, una sustancia química que interviene en la quema combustibles. Este logro es de gran importancia, ya que pocos países dominan la tecnología de fabricación de estos componentes. Los propulsores, también conocidos como motores, se encargan del posicionamiento y de las correspondientes correcciones de órbita durante la vida útil de los satélites, estimada en cuatro años. El aparato proyectado y construido por Fibraforte es del tipo monopropelente, es decir, funciona sólo con combustible líquido, en este caso, la hidracina anhidra, y no requiere un elemento oxidante para llevar a cabo la combustión. Investigadores del Laboratorio Asociado de Combustión y Propulsión (LCP) del Inpe desarrollaron el catalizador brasileño, esencial en satélites monopropelentes.

“El Programa Espacial Brasileño es el gran beneficiado con el desarrollo de estos componentes. A partir de ahora, somos uno de los pocos países del mundo con capacidad para producir propulsores completos con catalizador”, afirma el ingeniero mecánico Humberto Pontes Cardoso, coordinador del equipo de Fibraforte, responsable del proyecto del propulsor. El equipamiento formará parte del subsistema de propulsión de la Plataforma Multimisión (PMM), un moderno concepto de arquitectura de satélites, que reúne en una sola estructura todas las instalaciones necesarias para la supervivencia y la operación de estos artefactos en el espacio. Con una previsión para estar lista a finales de 2007, la PMM atraviese actualmente el proceso de habilitación de sus instrumentos y subsistemas (lea más informaciones sobre la PMM en la página 72).

Los propulsores, financiados por el Programa Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP y desarrollados por Fibraforte, tendrán la función de dar el impulso necesario para la realización de las maniobras orbitales de la Plataforma Multimisión, luego de su separación del vehículo lanzador. Estas maniobras son necesarias porque los satélites de observación de la Tierra, ubicados a una distancia que oscila entre los 600 y los 1.200 kilómetros de altitud, sufren perturbaciones en su órbita en razón de anomalías magnéticas y del campo gravitacional de nuestro planeta. Dichos aparatos corrigen la ubicación del satélite, y la precisión de sus maniobras depende en gran medida de la unión entre el propulsor y el catalizador. Sucede que el impulso para el movimiento del satélite es el resultado de la expulsión a alta velocidad de gases derivados de la descomposición de la hidracina mediante la acción el catalizador, según Cardoso. “Al entrar en contacto con el catalizador en la cámara catalítica, la hidracina se descompone y genera hidrógeno, nitrógeno y amoníaco. Al pasar por la boca del tubo del sistema propulsor, los gases se aceleran generando el empuje necesario para las maniobras del satélite.”

La unión perfecta
El módulo de propulsión de la PMM pesará 10 kilos y tendrá seis motores, cada uno con 5 Newtons (N) de empuje. Esta fuerza corresponde al esfuerzo necesario para equilibrar 500 gramos en un plato de una balanza. El equipamiento contará a a su vez con un tanque de combustible esférico de 50 centímetros de diámetro y capacidad para 45 litros de hidracina líquida (N2H4), dos válvulas para carga y drenaje del tanque, una tubería que conecta los propulsores al tanque de combustible, también fabricados por Fibraforte, un sensor de presión y un conjunto de válvulas destinadas a aislar el tanque de los motores durante el lanzamiento.

“El gran secreto de un propulsor monopropelente es la perfecta unión entre el catalizador empleado y el sistema de inyección de combustible en la cámara catalítica”, afirma Cardoso. Lo ideal, según el investigador, un ex ingeniero del Inpe, es que el inyector vaporice la hidracina antes de que  entre en contacto con el catalizador. “Esto elimina dos problemas serios. El primero es el impacto mecánico del fluido con el catalizador, que reduce su vida útil. Y el segundo apunta a evitar el anegamiento, pues cuando se amontona combustible en estado líquido en la cámara catalítica puede suceder que las partículas lleguen terminen explotando”, explica Cardoso.

Fibraforte acumuló durante los últimos años una vasta experiencia en el desarrollo de tecnología destinada a la fabricación de motores para satélites. Al final de los años 1990, la empresa fue corresponsable del desarrollo de propulsores monopropelentes de 2N de empuje y de un tanque de combustible cilíndrico para una plataforma suborbital del Inpe. “Éste fue el primer sistema de propulsión proyectado por la empresa. Fue un buen aprendizaje, si bien que era un proyecto mucho más sencillo, porque los requisitos no eran tan rigurosos”, afirma el ingeniero aeronáutico Jadir Nogueira Gonçalves, socio director de Fibraforte. Posteriormente, la empresa trabajó en el proyecto de un propulsor bipropelente de 200N, que no voló. “Hicimos tres prototipos para el Inpe, que eran modelos de ingeniería para pruebas”, cuenta Gonçalves.

Al igual que los propulsores de Fibraforte, el catalizador desarrollado por el Inpe también representa un logro importante rumbo a la independencia tecnológica de Brasil en el área espacial. “Es muy difícil importar este material. Las últimas dos veces que intentamos adquirírselo a una empresa estadounidense ni siquiera nos respondieron. Hasta donde sabemos, sólo Estados Unidos y Francia, y probablemente Rusia y China dominan la tecnología de fabricación de este tipo de catalizador”, dice el investigador Demétrio Bastos Netto, jefe del LCP del Inpe.

Entre los catalizadores más utilizados en los satélites monopropelentes se encuentra  el Shell-405 – una referencia a la compañía petrolera anglo-holandesa Shell que integró un consorcio, juntamente con Reynolds Metal Company, que se encargó de desarrollarlo a pedido de la agencia espacial estadounidense, la Nasa, en los años 1950. Desde 2003, el S-405 es comercializado por la empresa estadounidense Aerojet General Corporation, que sólo puede venderlo mediante la aprobación del gobierno de Estados Unidos. La última vez que el Inpe logró comprar el producto fue en 1984. En aquel año, medio kilo de este material le costó el equivalente a 7 mil dólares, y sirvió solamente para hacer pruebas  en tierra firme. Hasta ahora los satélites que Brasil ha desarrollado, los Satélites de Recabado de Datos (SCD1 y SCD2) y el Satélite de Aplicaciones Científicas (Saci), no poseen propulsores. La corrección de posición en el espacio se lleva a cabo por medio de un sistema que emplea el campo magnético de la Tierra. En los dos Satélites SinoBrasileños de Recursos Terrestres (Cbers), mayores en tamaño y peso, se usaron propulsores y catalizadores chinos. “La producción de un catalizador nacional abre la perspectiva de que Brasil pueda competir en este limitado mercado con Aerojet y otros productores, suministrando material a otros países como Argentina, Chile y Perú”, afirma Bastos Netto.

Con su apariencia de granos esferoides de color negro, el catalizador está compuesto de una sustancia que funciona como soporte, en este caso una alúmina especial altamente porosa (Al2O3), y un metal, el iridio (Ir), que es el elemento activo en la reacción de descomposición de la hidracina, combustible obtenido con base en la deshidratación del hidrato de hidracina, una sustancia líquida incolora y altamente tóxica que se produce en laboratorio. “La alúmina es sumamente difícil de obtenerse con las propiedades adecuadas como para darle soporte al catalizador y al iridio, pues dichas propiedades pueden optimizar o también impedir el proceso de catálisis de la hidracina”, afirma el ingeniero químico José Augusto Jorge Rodrigues, investigador del Inpe. Algunas propiedades importantes de la alúmina son su elevada resistencia térmica y mecánica y su alta cristalinidad, que le dan la garantía de macroporosidad al material. La resistencia al calor es imprescindible, porque la temperatura de la cámara catalítica durante la descomposición de la hidracina es muy alta: son alrededor de 900°C, y la resistencia mecánica se hace necesaria pues el catalizador trabaja a una alta presión que puede llegar a las 22 atmósferas, el equivalente a la presión existente en el fondo del mar a una profundidad de 220 metros.

La elección del iridio como metal activo obedece  a que éste es el único elemento químico capaz de descomponer espontáneamente la hidracina a baja temperatura – una condición posible en el espacio. “El iridio es un metal caro, un subproducto de la extracción del oro. Un gramo cuesta alrededor de 200 dólares”, dice el químico David dos Santos Cunha, investigador del Inpe. El tenor de iridio en el catalizador oscila entre un 30% y un 36%, muy superior a la mayor parte de los catalizadores industriales, cuyo tenor metálico no supera el 5%. “La dificultad mayor es plasmar una correcta impregnación del iridio en la alúmina, mejorando así su distribución de manera tal de obtener partículas de iridio de dos nanómetros”, afirma Cunha. Los investigadores del Inpe también contaron  durante el proyecto con los aportes del Instituto Militar de Ingeniería, el Centro de Investigaciones de Petrobras y de la Universidad Pierre y Marie Curie, de París, Francia. Además del catalizador para uso espacial, el LCP también investiga catalizadores para su empleo en la industria química y en la refinación de petróleo.

El catalizador espacial del Inpe ya cuenta con la debida habilitación y está listo para suembarque  en la PMM o en otros satélites. Durante el proceso de habilitación, el material fue sometido a una campaña de 39 secuencias de accionamientos, acumulando un total de 11 mil segundos, alrededor de tres horas, el doble que su tiempo de funcionamiento en el espacio al cabo de cuatro años, la extensión de la vida del satélite. La habilitación del conjunto propulsor – catalizador se concerto en el Banco de Pruebas con Simulación de Altitud (BTSA) del Inpe, con sede en la ciudad de Cachoeira Paulista (estado de São Paulo). “El primer paso del proceso consistió en usar el catalizador comercial S-405 para la habilitación del propulsor de Fibraforte y escoger el mejor inyector, la pieza encargada de inyectar la hidracina en la cámara catalítica. Una vez definido el inyector, pasamos a las pruebas con nuestro catalizador. Hicimos una comparación del desempeño de los dos sistemas en condiciones idénticas de operación, y arribamos a la conclusión de que el catalizador cumple con los requisitos exigidos por la Plataforma Multimisión”, afirma el físico Carlos Eduardo Rolfsen Salles, investigador del LCP y encargado del Banco de Pruebas, el único de tamaño porte en Latinoamérica. “Una campaña de pruebas como ésta cuesta alrededor de 80 mil dólares en Brasil. Sin nuestro Banco de Pruebas, cualquier proyecto de desarrollo sería inviable, pues tendría que hacerse el exterior, a un precio mayor”, dice Salles.

Hasta el momento se han  construido cuatro prototipos de los propulsores y otros seis están en fase de fabricación en Fibraforte. Pasaran por nuevas baterías de pruebas hasta que en junio del próximo año estará listo el modelo de habilitación del módulo de propulsión de la PMM. “El módulo final, también conocido como modelo de vuelo, será una copia fiel del modelo de habilitación, un etapa en que ya todos los equipamientos estarán integrados”, dice Humberto Cardoso. Según el investigador, para que los propulsores y el catalizador se granjeen la  credibilidad internacional, habrá que mostrar registros de historial de vuelos exitosos. “Esto significa volar con éxito al menos dos veces. El primer vuelo se concretaría en 2007, y el segunda está previsto para antes de 2012, siempre con la PMM”, dice el investigador. A partir de allí, Brasil estará acreditado como  para suministrar esta sofisticada tecnología a clientes en otros países.

Una plataforma versátil

La Plataforma Multimisión (PMM), considerada como uno de los principales proyectos desarrollados actualmente por el Inpe, estaría lista en diciembre de 2007. El Satélite de Sensoriamiento Remoto 1 (SSR-1) será el primero que se montará en esta estructura. Según el ingeniero aeronáutico Mario Marcos Quintino, gerente responsable del desarrollo de la PMM, en este tipo de arquitectura existe una separación física entre los diversos módulos de la plataforma: el suplemento de energía, la propulsión, las comunicaciones, la supervisión de a bordo, el control térmico y de altitud y la carga útil (el radar de imágenes, por ejemplo), que pueden desarrollarse, construirse y probarse separadamente, antes de la integración de los módulos y de las pruebas finales. Asimismo, existe también la ventaja de poder reutilizar el proyecto, con la consecuente reducción de costos en los nuevos satélites, ya que la PMM podrá llevar al espacio diferentes tipos de misiones.

“El primer modelo de la PMM tendrá un costo del orden de los 25 millones de dólares, pero este valor puede disminuir a alrededor de 10 millones o 15 millones de dólares, dependiendo de la configuración, ya en los modelos siguientes”, afirma Quintino. Ideada totalmente en el Inpe, la PMM tiene un índice de nacionalización de alrededor del 80%. Casi todos sus subsistemas han sido proyectados y desarrollados por empresas brasileñas. “Creemos que la plataforma es un producto interesante que puede ofertarse en el mercado espacial, gracias a su  alto potencial comercial. En la PMM caben varios tipos de cargas útiles, principalmente satélites de porte medio, de hasta 600 kilos, empleados en la  observación de la Tierra.” La adopción de plataformas multimisión es una tendencia mundial, pues éstas alían ventajas técnicas y comerciales.

El Proyecto
Desarrollo y habilitación de un propulsor monopropelente de 5N para satélite (nº 03/07755-5); Modalidad Programa Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Humberto Pontes Cardoso – Fibraforte; Inversión 400.000,00 reales (FAPESP)

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