Salpar per un espai sostenible

Programa general de tecnologia de suport de l’ESA i l’empresa de tecnologia espacial HPS GmbH treballen junts per fer això, desenvolupant “arrels” que es coneixen com a Arrossega Augmentació DeoSubsistema rbiting (ADEO).

En aquestes preguntes, Tiziana Cardone, enginyera d’estructures de l’ESA i oficial tècnic d’ADEO, i Daniel Stelzl, cap de desplegables de veles i nanosatèl·lits d’HPS, expliquen com l’ESA s’està associant amb la indústria per navegar per l’ús sostenible de l’espai.

Quin és el vostre paper en el projecte ADEO?

Tiziana: Coordino i recolzo el desenvolupament del “drag sail” d’ADEO per a l’ESA i treballo estretament amb HPS tant en la gestió com en els aspectes tècnics del projecte. Vaig iniciar ADEO el 2012 i des de llavors he seguit tots els passos del seu desenvolupament.

Daniel: HPS lidera el desenvolupament de la tecnologia ADEO drag sail. Vam començar a desenvolupar veles de naus espacials el 2000, originalment per utilitzar-les a vela solar sistemes de propulsió, i ara per ajudar a garantir un futur sostenible per a les missions espacials.

Com funciona una vela d’arrossegament?

Tiziana: Les naus espacials en òrbita baixa de la Terra cauran naturalment a la Terra a mesura que les seves òrbites decauen a causa de la força d’arrossegament que experimenten de l’atmosfera. Però la força d’arrossegament no és tan elevada la major part del temps per a les naus espacials en òrbites superiors als 400 quilòmetres, i quan aquests satèl·lits han completat la seva missió, no cauen tan ràpidament com voldríem. En aquest cas, una vela d’arrossegament ajuda la nau espacial a “captar” més de l’atmosfera augmentant molt la seva àrea de secció transversal. Això l’ajuda a baixar més ràpidament i a cremar-se a l’atmosfera abans.

Daniel: Si una nau espacial encara és funcional al final de la seva missió, el subsistema de vela d’arrossegament rep un senyal per començar el seu desplegament dels operadors de naus espacials a la Terra. Si no, una bateria muntada i un programa d’ordinador intern decideixen de manera autònoma quan es desplegaran. Les nostres veles ADEO-L més grans poden arribar als 100 metres quadrats (la mida d’un bon apartament) i trigar fins a 45 minuts a desplegar-se. Les veles ADEO-N més petites tenen 3,5 metres quadrats i es desplegen en només 0,8 segons.

Les veles ADEO varien molt de mida i es poden instal·lar en naus espacials de fins a 1500 kg. Com decidiu la mida de la vela que necessita una missió?

Tiziana: En general, com més massiva sigui la nau espacial, més gran és la vela que necessiteu, ja que es necessita més força d’arrossegament per accelerar el descens, com si un cotxe més pesat necessiti pauses més fortes per frenar. La mida de la vela es decideix amb l’operador de la nau espacial, però un factor molt important és garantir el compliment de la pautes de mitigació de deixalles espacials.

Aquests afirmen que totes les naus espacials en òrbita baixa de la Terra haurien de ser dissenyades per tornar a entrar a l’atmosfera terrestre dins dels 25 anys posteriors al final de la seva missió, per reduir els riscos associats amb els residus espacials. Per tant, com a mínim, heu d’utilitzar una vela que generi prou arrossegament per fer caure la nau espacial en aquest temps.

Algunes naus espacials, però, estan dissenyades per tornar a entrar molt abans del que requereixen les directrius internacionals. Això permet a l’operador de la nau espacial alliberar l’òrbita molt útil que ocupava la nau espacial i omplir-la amb la seva pròxima nau el més ràpidament possible. Per a un descens més ràpid, necessiteu una vela més gran!

De què estan fetes les veles i quant de gruixudes són? Semblen paper d’alumini de cuina!

Daniel: Sí, però ho són molt més fort. La vela es fabrica amb una làmina de poliimida recoberta d’alumini amb un gruix total de només 7,5 micròmetres, és a dir, una dècima del gruix d’un pèl humà mitjà. Estem millorant constantment el nostre disseny i estudiant altres materials que puguin ajudar a fer les veles més fortes i fines i fins i tot transparents.

Quina força té la força que actua sobre l’arrossegament de l’atmosfera?

Tiziana: A altituds més altes on l’atmosfera és més prima, la força sobre la vela d’arrossegament comença raonablement suau. Tot i que a altituds més baixes, pot arribar a ser molt fort, sobretot tenint en compte el grau de materialitat. Si alguna vegada has lluitat amb un estel gran en un dia de vent, tindràs una bona idea.

Com es plega una àrea tan enorme de material de manera que li permeti obrir-se a l’espai?

Tiziana: Un “Mecanisme de manteniment i alliberament”, que s’utilitza per a moltes coses de les naus espacials, manté la vela ADEO plegada de forma segura en una caixa fins que arriba el moment de començar a actuar. Quan sigui el moment del desplegament, la nau espacial o la bateria de bord encenen un motor petit.

El motor inicia el desplegament de les quatre plomes reforçades amb fibra de carboni a les quals està fixada la vela, com els bastons que mantenen la forma del teixit d’un estel. A mesura que es desenvolupen les plomes, eliminen l’aïllament protector de la vela, alliberant-la de la caixa, moment en què es desplega.

Què significa que les veles siguin “passives”?

Tiziana: ADEO és passiu ja que no necessita cap suport de sistemes de guia, navegació i control per funcionar. Fins i tot si la nau espacial està caient fora de control, cosa que segurament serà en el moment del desplegament, no cal estabilitzar-la per desplegar la vela amb seguretat. Hem dissenyat especialment les plomes i la interfície que les connecta a la vela per garantir que siguin molt resistents a les tensions causades per la caiguda.

Ja s’han utilitzat les veles d’arrossegament ADEO a l’espai?

Daniel: Ells tenen! Es va instal·lar una vela ADEO-N de 2,5 metres quadrats a l’escenari “Electron kick” de RocketLab’sÉs hora de treballar‘missió el 2018, i una altra es va provar durant un campanya de vol parabòlic el 2019. Al juny del 2021, es muntarà una vela ADEO-N a la “plataforma ION” de 220 quilograms de D-Orbit SpA, que serà llançat en un Falcon9 per SpaceX.

Després d’uns sis mesos, l’ADEO-N desplegarà la seva vela d’arrossegament de 3,5 metres quadrats i la nau espacial començarà a desorbitar-se. L’any vinent està prevista una demostració en òrbita d’una vela ADEO-L més gran per a una missió de la UE.

Com trobeu l’associació entre l’ESA i l’HPS?

Tiziana: Treballem molt bé en equip. HPS és flexible i altament motivat; L’ESA està sempre a punt per ajudar-vos a analitzar qualsevol desafiament imprevist, trobar solucions i proporcionar suport a totes les disciplines tècniques implicades en el projecte.

La nostra associació ja ha tingut un gran èxit i ho mostrarem a tot el món amb la nostra propera demostració en òrbita. Estigueu atents, perquè en els propers mesos escoltarà molt sobre ADEO.