¿Cómo obtienen las naves espaciales su energía eléctrica?

Nada puede cambiar su estado o posición sin energía. Las naves, estaciones espaciales y satélites cerca de la Tierra, como cualquier otra máquina, necesitan energía para poder operar. La búsqueda y el estudio para la obtención de energía en el espacio exterior es uno de los campos más atractivos de la investigación espacial. 

La electricidad es fundamental. En la tierra existen muchas fuentes de energía distintas de las que se puede extraer electricidad, pero en el espacio la cosa cambia. Los satélites artificiales generalmente usan células solares, que convierten la luz del sol (o cualquier otra estrella) en electricidad, una especie de efecto inverso del de un diodo emisor de luz (LED). En el espacio se trata de convertir principalmente los rayos ultravioleta en electricidad. La forma más eficiente de lograr esto hoy en día es mediante el uso de paneles compuestos por células fotovoltaicas con semiconductores. Son los "Paneles solares", como se les llama habitualmente. En la Tierra son muy habituales ahora, pero no son una tecnología nada nueva. Fueron utilizados por primera vez en el espacio en 1958 para alimentar el satélite 'Vanguard'.

En las células fotovoltaicas, los materiales básicos, el dopaje y la forma de la unión se eligen de tal manera que aumenten su capacidad de transformar la energía de la luz en energía eléctrica. Cada célula es capaz de producir una pequeña cantidad de corriente a un voltaje relativamente bajo, más o menos como una pila común. Se deben de combinar muchas de estas células para poder producir la cantidad de energía eléctrica necesaria que un satélite necesita para funcionar y para cumplir con las demandas de potencia de sus instrumentos de a bordo.

¿Cómo funcionan las células solares?

Cada una de las miles de células fotovoltaicas que se encuentran en un panel solar está hecha de un material semiconductor, principalmente silicio, capaz de convertir la luz que llega del Sol en una corriente eléctrica. Esto es exactamente lo contrario de lo que sucede en cualquiera de los miles de diodos emisores de luz (LED) que se encuentran en los paneles frontales de casi todos los equipos electrónicos de hoy en día.

Los semiconductores como el silicio son materiales bastante extraños. Normalmente son aislantes, lo que significa que una corriente eléctrica no puede pasar a través de ellos, pero es posible cambiar los cristales hechos de estos materiales en conductores al aplicarles un voltaje suficientemente alto. Sucede que el voltaje aplicado a través del material atrae a los electrones que orbitan los átomos del cristal fuera de su órbita, haciéndolos disponibles para formar parte de una corriente eléctrica que fluye a través del material. Esto se puede interpretar como el voltaje aplicado al cristal que hace que los electrones salten la barrera que los obliga a orbitar alrededor de cada átomo.

¿Por qué los paneles solares son tan grandes?

A pesar de la fuerza del Sol, los paneles solares que necesita un satélite de tamaño medio son bastante grandes, debido a la baja eficiencia de las células solares individuales. Esta es la razón por la que la mayoría de las imágenes de los satélites clásicos muestran un par de alas largas que se extienden desde sus lados, que son los "paneles solares". Las células solares más modernas basadas en materiales semiconductores como el arseniuro de galio ahora están disponibles, con cifras de eficiencia casi el doble que las de las células de silicio. Estos nuevos tipos de células permitirán que se utilicen matrices solares más pequeñas en futuras misiones espaciales.

La Estación Espacial Internacional por ejemplo, tiene paneles solares comparables en extensión al tamaño de un campo de fútbol con el fin de generar una impresionante potencia de 92 kW: los paneles solares más grandes en órbita hasta la fecha.

¿Qué sucede cuando el Sol se oculta en un eclipse?

La generación de energía solar es lo más conveniente en el espacio, especialmente porque no hay nubes y el Sol nunca se pone. ¿O si lo hace? Los satélites que orbitan la Tierra pasan a través de una región de sombra en el lado opuesto de la Tierra desde el Sol. Dependiendo del tipo de órbita, esto puede suceder unas pocas veces al año o cada pocas horas. Durante estos llamados 'eclipses', los paneles solares no pueden producir energía eléctrica y el satélite no solo no podría funcionar, sino que también podría congelarse a temperaturas increíblemente bajas (eventualmente alrededor de -270 ° C) si no se contara con una fuente de energía auxiliar. Por lo tanto, la energía eléctrica debe almacenarse a bordo de la nave espacial cuando está expuesta al sol para su consumo durante estos eclipses.

En los satélites existen básicamente dos formas de almacenar energía eléctrica y ambas dependen de reacciones químicas reversibles. Una se basa en baterías con celdas muy similares a las que se encuentran en los teléfonos móviles y otros equipos con baterías recargables. La otra usa las denominadas "pilas de combustible", un tipo de acumulador eléctrico que ahora se usa experimentalmente en automóviles y autobuses. El principio básico es el mismo. Una corriente eléctrica que pasa a través de la célula hace que un par de sustancias se combinen en un nuevo compuesto químico que transforma la energía eléctrica en energía química. Esto carga el acumulador, almacenando la energía eléctrica que se le entrega. Cuando el acumulador se inserta en un circuito eléctrico que contiene una carga, producirá una corriente, liberando gradualmente su carga: el compuesto químico se divide en sus dos componentes, generando un flujo constante de cargas eléctricas (una corriente eléctrica) a través del circuito.

Las baterías recargables usan sustancias sólidas que se empacan fácilmente en carcasas de diversas formas. Las baterías de los automóviles también necesitan agua, agua muy pura, ya que la sustancia que utilizan para almacenar energía, es decir, ácido sulfúrico (altamente corrosivo, ¡por eso nunca debe abrirse una de estas!), Tiene que disolverse para que la batería funcione. A diferencia de una batería, las celdas de combustible generan corriente en lugar de simplemente almacenar energía. Esto se logra combinando hidrógeno y oxígeno en una membrana de platino, con agua como subproducto. Este agua también se puede acumular en un tanque y dividirse sucesivamente en oxígeno e hidrógeno por electrólisis, es decir, dejando que la corriente fluya a través de ella.

Utilizando la energía

El uso de la energía producida por los paneles solares o recuperada de los acumuladores requiere el uso de dispositivos electrónicos sofisticados, llamados 'unidades de acondicionamiento de energía'. Sin embargo, debido al diseño y el espacio disponible, no es posible que la mayoría de los equipos a bordo del satélite estén directamente conectados a ellos. Para resolver el problema muchos satélites utilizan pequeños dispositivos que garantizan un equilibrio óptimo entre la potencia de la batería y la potencia de los paneles solares, incluso en condiciones desfavorables de eclipse e iluminación de baja incidencia. Estos dispositivos altamente avanzados se denominan 'Trackers de máxima potencia'.

Otras alternativas a los paneles

Los Voyagers 1-2 y Pioneers 10-11 fueron sondas lanzadas en los 70 para que viajaran muy lejos, a los planetas extrasolares. Una vez completada su misión de exploración existía la esperanza de que fueran encontradas por alguna civilización inteligente, de ahí lo de la famosa placa que llevan instalada. Alrededor de los planetas exteriores, donde la luz del sol es demasiado tenue para proporcionar suficiente energía se deben de desarrollar otros sistemas alternativos para energizar las sondas. En estas sondas se creyó conveniente instalar material radiactivo que genere calor y así poder utilizar los termopares (uniones especiales de diferentes metales) que lo convierten en electricidad. Seguramente las naves espaciales que vuelen allí en el futuro también usarán fuentes radiactivas. 

Los rusos y los norteamericanos experimentaron en los años 70 con pequeños reactores nucleares en naves espaciales. El satélite ruso cosmos 954 fue lanzado en 1977. Estaba alimentado con un convertidor termoiónico (Dispositivo formado por un electrodo caliente que emite electrones y otro colector frío produciendo potencia eléctrica útil) de sodio-potasio, el cual funcionaba gracias a un reactor nuclear que contenía unos 50 kilogramos de Uranio 235. Estaba pensado para durar muchos años, pero la Unión Soviética reconoció a los Estados Unidos que había perdido el control del satélite y que el dispositivo para situar la sección del reactor nuclear a una órbita segura había fallado. Se acabó estrellando en un lago en Canadá, contaminándolo con radiactividad y creando un gran resentimiento. Hoy en día todavía quedan algunos satélites orbitando, con materiales radioactivos, aunque ya se ha decidido no seguir utilizando esta tecnología para órbitas bajas. Posiblemente esta tecnología fue lo que inspiró la estupenda película de Clint Eastwood Space cawboys.