¿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.


Comentarios

  1. Ya tenemos electricidad, pero ¿como se mueven para reposicionarse por ejemplo?

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    1. Hola Alvaro, pues para el podicionamiento los satélites deben de llevar algún tipo de combustible propulsante para poder mantenerlos en la órbita correcta. Esa es una de las razones (la principal) por la cual los satélites tienen una vida operativa limitada. Los primeros satélites del GPS solían tener combustible para unos siete años (...y cada uno de estos satélites costaba unos 40 millones). Los nuevos satélites ya tienen periodos de vida mayores. Hoy en día 15 años es una cifra normal para un satélite. El combustible que se emplea suele ser MMH de la familia de las hidrazinas junto con un oxidante. Cuando el satélite se va a quedar sin el combustible interno se le hace caer en una órbita de reentrada y se le deja morir. Se han estudiado diversos metodos de propulsión alternativa, como la propulsión por iones, pero hoy por hoy los satélites siguen llevando combustible líquido (en realidad es un gas a gran presión).

      Un cordial saludo
      Manolo

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  2. Lo entendi...casi!! El combustible MMH alimenta unos motores. El "chorro" de estos motores choca contra los pocos atomos que existen es el casi vacio.Ya tenemos la accion y la reaccion. Habiendo pocos atomos supone que el rozamiento de la nave es minimo, por lo que a poca accion-reacion que haya la nave opera. No se si esa es la explicacion, pero es como lo veo desde Oviedo. :) Saludos.

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    1. Hola Álvaro, verás, creo que en esto existe un pequeño error conceptual muy común. Efectivamente hay un chorro producido por los motores que utilizan el combustible interno, pero en realidad el chorro no empuja contra nada. Digamos, para entendernos, que no existen átomos. Los aviones a reacción y los cohetes no empujan contra nada para poder moverse. Es curioso, pero es así. La propulsion es simplemente un proceso interno. Es como si disparas una escopeta y no te la apoyas bien contra el hombro. Si solo disparas apretando el gatillo, los perdigones salen por el cañón hacia adelante, pero también la escopeta sale despedida hacia atrás. Es lo que conocemos como retroceso. La escopeta no empuja contra nada en la atmósfera. Es la tercera Ley de Newton que comentas, eso de la acción (disparo) y la reacción (retroceso). En los cohetes y satélites pasa lo mismo. Incluso mejor, ya que en el espacio, como dices casi no hay átomos que nos frenen :) pero ten encuenta que es solo un proceso interno que en este cado se produce en mayor medida en la cámara de combustión. Ocurre lo mismo cuando sueltas un globo lleno de aire. El aire que sale no es lo que hace que el globo avance. Es la fuerza ejercida interiormente lo que causa el empuje.
      Mira, leete la entrada más famosa y leída del blog que se llama "propulsión de cohetes (...this is rocket science)" está la primera de las entradas destacadas y ahí se explica un poco esto que te comento. También se explica en la entrada de los motores a reacción.
      Un fuerte abrazo para ti y todos mis paisanos de Oviedo ¡Como echo de menos la tierriña!
      Manolo

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