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Home Más leídos Revista Nº 8: "Ciencia" Satélites
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Satélites
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Se presentan en este trabajo los estudios y desarrollos necesarios que deberán llevarse a cabo, en el área del conocimiento avanzado de los materiales de uso espacial, que permitan cumplir con los objetivos del Plan Espacial Nacional. La idea rectora de este trabajo es que solamente a través del desarrollo de nuevos materiales se podrá alcanzar un nivel de excelencia, tanto en la ingeniería satelital como en el desarrollo de sensores de primer nivel en las áras de ciencias básicas, comunicaciones, teledetección y aspectos relacionados con el cambio global. Fue elaborado para el Plan Nacional Espacial que coordina la CONAE. 

 

SATÉLITES: 

Ciencia de Materiales 

 

Introducción 

Parte importante del éxito de un programa espacial se basa en el conocimiento adecuado de materiales puesto que, por un lado, en aquél se diseña al límite de las propiedades de los mismos debido a las imposiciones dadas por la necesidad de disminuir el peso de las cargas útiles (para darmayores prestaciones o hacer menos costosas las misiones espaciales) y, por otro, la falla de una de las partes produce el fracaso de la misión. Con el aumento de la actividad espacial, la necesidad de desarrollar nuevos materiales capaces de responder a los requerimientos de diseño ha concentrado considerables esfuerzos de investigación y desarrollo, a medida quese alcanzaban condiciones que llegaban a los límites de las propiedades de los materiales existentes.

Los requerimientos satelitales abarcan una innumerable gama de materiales desde los estructurales, en los que es necesario utilizar aquéllos de avanzada como los compuestos (en razón de la importancia del peso de las partes que se envían al espacio), hasta loselectrónicos y los ópticos por la necesidad de disminuir el peso, aumentar la eficiencia y el número de funciones que cumplen los satélites. Para las actividades previstas en los próximos años se debe disponer de un grupo que tenga conocimiento en tecnología de diseño y fabricación de partes que utilicen materiales compuestos y aleaciones estructurales extralivianas (con propiedades mecánicas de avanzada) y de materiales funcionales como los que configuran la electrónica y optoelectrónica utilizada en los sistemas de comunicación, transmisión digital de datos y detección de imágenes.

Sólo consideramos algunos de los principales materiales que se utilizan en aplicaciones satelitales, razón por la cual no se analizan aquéllos que se requieren para la fabricación de vehículos espaciales, como son, por ejemplo, los ablativos o los compuestos de carbón/carbón. 

 

Materiales Estructurales

Aleaciones de Magnesio 

Las aleaciones de Mg se utilizan en los satélites debido a su baja densidad. Es necesario conocer su comportamiento para optimizar sus usos y evitar que durante el almacenamiento de las aleaciones o durante el almacenamiento de las partes (luego de la fabricación), se produzcan efectos corrosivos. 

 

Aleaciones de Aluminio y Aluminio-Litio 

En la industria aeroespacial las aleaciones estructurales de Aluminio de mayor interés son las de las series 2000 y 7000 (las más conocidas son la 2024 y la 7075).

Las aleaciones de Al-Li permiten en general disminuciones de peso mayores al 10% y aumentos de 20% del módulo elástico con respecto a las aleaciones convencionales de Al. Es necesario conocer las técnicas de producción de partes utilizando este tipo de aleaciones y los requisitos de almacenamiento de las partes para evitar problemas de corrosión. Por ejemplo, las aleaciones avanzadas de Al-Li-Cu-Zr y Al-Li-Cu-Mg-Zr pueden lograr disminuciones de peso superiores al 12% y poseer módulo elástico un 15% más elevado. Poseen además resistencias mecánica y a la corrosión y la tenacidad necesaria para aplicaciones aeronáuticas y satelitales. Es necesario para ello estar familiarizado con las técnicas de solidificación rápida y metalurgia de polvos.

Se ha avanzado mucho en el desarrollo de las nuevas aleaciones de Al-Li, particularmente en lo que concierne a disminución de peso y aumento de módulo elástico. Sin embargo, sus aplicaciones no han evolucionado tan rápidamente como se esperaba debido principalmente a limitaciones en su resistencia a la propagación de grietas, tanto estática como en fatiga, a lo que es necesario agregar un costo de fabricación más elevado.

Los procesos de deformación superplástica de aleaciones de Al permiten la fabricación de partes que de otra manera requerirían, por su forma compleja, de varias partes unidas entre sí. El uso de aleaciones que permiten la aplicación de la fabricación superplástica da lugar a considerables reducciones de peso de las partes y, por ende, son de gran importancia en aplicaciones satelitales. 

 

Aleaciones de Titanio 

Las densidades de las aleaciones basadas en titanio, se ubican entre 4.43 gm/cm3 a 4.85 gm/cm3. Las tensiones de fluencia se encuentran entre 172 MPa para el titanio comercial (Grado 1) hasta 1380 MPa para aleaciones beta tratadas térmicamente. La combinación de esas altas resistencias mecánicas con la baja densidad, resultan en relaciones excepcionalmente elevadas para la familia de aleaciones base titanio. Dichas relaciones son superiores a casi todo otro metal. 

 

Desarrollo y utilización de compuestos avanzados

Los materiales compuestos avanzados a matriz polimérica, metálica o cerámica con sus altas prestaciones en términos de rigidez, tensión de rotura, estabilidad dimensional, resistencia a elevadas temperaturas y baja densidad, además de una total flexibilidad para producir piezas de las más variadas características, han sustituido con éxito a los materiales tradicionales en muchas partes de la estructura primaria de los vehículos espaciales.

Los compuestos de más interés son los de Grafito/Epoxy (Gr/E), los de matriz de Al de boro, fibras de óxido de aluminio, cerámicas, fibras de tungsteno, carburo de silicio, fibras de carbono y de acero inoxidable, etc. 

 

Mecánica de compuestos estructurales

El análisis y diseño de partes estructurales de satélites con materiales compuestos, particularmente laminados, son todavía una tarea formidable aún para el más experimentado ingeniero o diseñador. La dificultad está en las complejidades inherentes a la anisotropía del material, la distinta secuencia de apilado de las láminas, la dependencia del comportamiento del material con matriz orgánica de la humedad y el tiempo a distintas temperaturas, el comportamiento elasto-plástico, el "creep" y los distintos modos de falla asociados a transformaciones de fases. Debe prestarse especial atención a todos estos efectos debido a los requerimientos adicionales de estabilidad dimensional que se presentan en aplicaciones satelitales.

El análisis de los modos de rotura de un material compuesto requiere particular atención ya que éstos se encuentran influidos por una gran cantidad de parámetros tales como: la adhesión matriz-refuerzo, la configuración estructural, el método de fabricación, la capacidad de la matriz y de la interfasematriz-refuerzo de transferir cargas entre las fibras, el tipo de cargas (cuasi-estáticas, cicladas), etc. Otro tema de interés es el estudio de la inestabilidad de los paneles ("buckling" "post-buckling").

Existen numerosos estudios que han formulado nuevos modelos para describir el estado de tensiones en un material compuesto. Si bien se puede conocer el estado de tensiones en presencia de discontinuidades tales como: bordes, agujeros, laminaciones, etc., no es todavía posible, en todos los casos, asociar estos estados de tensiones con los mecanismos de rotura. Este es un tema que requiere investigación en el área de la mecánica de los materiales compuestos. 

 

Compuestos "Filament Wound" 

Se considera que en el precio final de un componente de materiales compuestos, la fabricación representa el 70% del total. El estudio de nuevos métodos de fabricación apunta principalmente al desarrollo de procesos con altos volúmenes de producción y bajo costo. Existen procedimientos que encuentran directa aplicación en la industria espacial, tales como: el estampado de termoplásticos, el "resin transfer molding", así como el "filament winding" y la construcción de preformados de fibra seca. Todos estos procesos son actualmente utilizados, pero no todos ellos han alcanzado un nivel de desarrollo tal como para poder ser aplicados en partes de estructuras primarias con altos volúmenes de producción. El método de "filament winding" es sin duda el proceso de fabricación mecanizado que más se ha desarrollado y que más se utiliza en la producción de piezas de materiales compuestos en la industria aeroespacial.

Es importante el manejo de este tipo de tecnología para producir partes tubulares estructurales de materiales compuestos de fibrascontínuas y matrices orgánicas. El uso de esta tecnología, conjuntamente con la de construcción de partes estructurales con el sistema de tubos reforzados, puede disminuir en forma importante el peso de las partes. Una desventaja del método es que sólo es aplicable a la fabricación de superficies de revolución sin curvaturas externas. 

 

Tecnología de uniones adhesivas

Las uniones adhesivas de compuestos con otros materiales y de materiales tradicionales disminuyen el peso en forma significativa. Las uniones adhesivas son utilizadas en forma generalizada en las industrias aeronáutica y espacial. Ellas permiten obtener estructuras de altas performances y resolver muchas situaciones en las cuales las uniones abulonadas o las soldaduras no podrían ser utilizadas. Por ejemplo, en el caso de los materiales compuestos existen configuraciones de laminados, con bajas características ante cargas de aplastamiento, que pueden ser resueltas favorablemente utilizando adhesivos.


Protección y Disipación Térmica 

 

Materiales para protección térmica; cerámicos y uniones cerámicas

Los satélites están sometidos a grandes variaciones de temperatura en función de su posición con respecto al sol y a la tierra. Materiales cerámicos producidos con fibras de sílica son excelentes aislantes térmicos y por sus características dieléctricas pueden ser usados en aplicaciones de microondas en satélites, ventanas y domos para radiación de antenas, superficies polarizadas y selectivas en frecuencias, platos para antenas milimétricas, lentes dieléctricos artificiales y substratos para componentes electrónicos.

Los temas de mayor interés encerámicas son los de cerámicas tenaces, cerámicas porosas, barreras térmicas, substratos de componentes electrónicos, uniones cerámica/cerámica y metal/cerámica y la familia ferroica.

Otra área de interés para aplicaciones satelitales es la de las barreras térmicas que se pueden producir con distintas técnicas de deposición superficial de cerámicas sobre distintos substratos. Las más difundidas son: "flame spray", "plasma spray", deposición física y química (PVD y CVD), etc.

Asimismo, los satélites tienen una lámina metálica que los rodea y que se recubre con depósitos de alta reflectividad para evitar el efecto térmico de la radiación solar. 

 

Caloductos y aletas para radiación térmica 

Es necesario conocer la tecnología de caloductos o heat pipes usando tubos con fluidos, la de grafito/epoxy con fibras de alta conductividad térmica basadas en brea de petróleo y la de uniones adhesivas para los sistemas de extracción de calor que no desgasen en el espacio.

 

Efectos de la radiación en los circuitos integrados

La performance de los circuitos electrónicos de satélites es degradada por la radiación ambiental presente en el espacio. Estos circuitos son principalmente hechos usando tecnología CMOS ("complementary metal oxide semiconductor"). Los circuitos CMOS son sensibles al total de la dosis de radiación gamma que causa cambios en sus parámetros operativos. Estos circuitos dejan de operar luego de recibir una dosis superior a la permitida. La radiación también produce foto-corrientes que pueden disminuir o paralizar su funcionamiento. Por ello, es imprescindible considerar la utilización de circuitos integrados endurecidos para soportar la radiación y diseñados especialmente para evitar que fallen en su funcionamiento al recibir radiación en el espacio. 

 

Sistemas Energéticos y Detección 

 

Celdas combustibles 

Los sistemas basados en hidrógeno/oxígeno proveen lo más avanzado en la capacidad elec-troquímica de conversión directa de energía.

Debido a la dificultad de almacenar H2 y O2 es importante formular composiciones sólidas que puedan liberar gas de H2 y O2 puros para generar energía. Para oxígeno pueden utilizarse formula-ciones con mezclas de sales cloradas de metales alcalinos con polvos de metales seleccionados del grupo VIII de la tabla periódica y composiciones generadoras de H2 pueden basarse en hidruros de metales alcalinos y B parcialmente oxidados para liberar H2 mediante la adición de óxidos de los elementos del grupo VIII de la tabla periódica. 

 

Celdas solares

Como el peso es una condición importante en el diseño de un satélite es necesario tener en cuenta varios aspectos en la selección del tipo de celda de conversión directa de energía solar en electricidad como: la eficiencia, la degradación que se produce por efecto de la radiación y la temperatura de recocido para lograr la recuperación de las propiedades degradadas por la radiación. Es necesario conocer la tecnología de celdas solares de GaAs, Si en películas delgadas, InP en varias configuraciones y capas delgadas de estos materiales, incluyendo CdS y CdTe. Además las celdas solares deben ser colocadas en colectores solares livianos, flexibles y posibles de almacenamiento compactado durante el lanzamiento de los satélites para poder luego expandirlos en el espacio.

 

Baterías para almacenamiento de energía

Los sistemas de baterías con celdas de Ni-Cd operando a 28 V son inadecuados para aplicaciones satelitales y se requiere desarrollar baterías de menor peso y mejor calidad que permitan mayor densidad de energía. Un concepto de avanzada puede ser el de las baterías con celdas de Ni-H2.

Los futuros desarrollos en esta área deberían focalizarse en: el aumento del número de ciclos para aplicaciones GEO (40000 ciclos (6, 9 años) a descargas entre 40-80%); el aumento de la densidad de energía gravimétrica del estado del arte de 50 Wh/kg a 100 Wh/kg y el desarrollo de baterías bipolares de Ni-H2 para aplicaciones de pulsos de gases, de presión o de temperatura los que pueden ser utilizados en dispositivos robotizados con las más variadas aplicaciones en los campos industrial y aeroespacial.

La necesidad de disminuir el tamaño de los sensores ha conducido a emplear técnicas de micro-electrónica en su obtención y es en este sentido en que deben intensificarse las investigaciones (sensores de láminas delgadas e integrables a los circuitos asociados, microiónica).

 

Detectores de infrarrojos

Los detectores de semiconductores IV-VI son producidos en todo el mundo desde hace casi cincuenta años a un costo no demasiado elevado y presentan importantes y variadas aplicaciones para dispositivos inteligentes de uso aeroespacial.

Con respecto a los semiconductores de tipo II-VI (particularmente el Hg1-xCdxTe o MCT) constituye todavía el detector de infrarrojos más útil y más versátil. Su alto valor estratégico y económico está estrechamente relacionado no solamente con sus valiosas aplicaciones sino con el "know how" asociado a su fabricación. Las dificultades inherentes al crecimiento del MCT han conducido a que pocos países en el mundo posean la tecnología para su obtención. 

 

Optoelectrónicos 

Utilizan una gran cantidad de componentes ópticas miniaturizadas (circuito integrado óptico- CIO), que cumplen funciones similares a los circuitos integrados eléctricos, pero con muchas ventajas. Algunas de dichas componentes son: guías de ondas, láseres, detectores, acopladores, moduladores, filtros de longitudes de onda, amplificadores, lentes, polarizadores, reflectores, redes de difracción y llaves ópticas. Todas estas componentes deben ser realizadas en miniatura.

Como en los CIO en general se requiere una fuente de luz (láseres en general) el material debe ser activo. En efecto, los materiales se pueden dividir en activos, que permiten generar luz láser, y pasivos, que no lo permiten.

 

Recomendaciones 

De acuerdo con las consideraciones de las secciones precedentes, y con el objeto de apoyar el desarrollo científico tecnológico del programa Plan Espacial Nacional, se recomienda que la CONAE encare las siguientes actividades en el área de desarrollo de materiales aplicada a la ingeniería satelital y desarrollo de sensores:

  •  Desarrollo de los materiales y la tecnología asociada necesarios para estructuras de soporte y equipamiento, determinando sus propiedades específicas y compatibilidad mínima necesaria.
  •  Desarrollo de las técnicas de obtención de materiales compuestos y ultrapuros, fotosensibles, optoelectrónicos, y sensores y materiales fotovoltaicos.
  •  Definición, verificación y ensayo de normas técnicas para los diferentes componentes satelitales.
  • Extraído de "Plan Espacial Nacional", CONAE, Capítulo IX, pág 81.

     

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