¿Qué materiales pueden sobrevivir en el espacio?

7 de junio de 2019

El espacio somete a todos los materiales a severas tensiones, lo que permite que solo los productos más robustos sobrevivan. Probar los materiales para el espacio es crucial para garantizar que los dispositivos que los utilizan duren en las peores condiciones conocidas por la humanidad sin un servicio de reparación a la vista. Sin pruebas, los esfuerzos de poner satélites en órbita son inútiles cuando los dispositivos fallan en el calor de la atmósfera o el frío del espacio. Un examen exhaustivo es más que una serie de pasos en el proceso. Debería ser un componente esencial para garantizar la supervivencia de los productos aeroespaciales.

¿Cuáles son las duras condiciones del espacio?

El espacio somete a los satélites y otros dispositivos a condiciones extremas. La temperatura, la gravedad, la radiación y la presión son sólo algunas de las variables que no son como las de la Tierra. Cualquier cosa que necesite entrar en órbita y sobrevivir durante algún tiempo debe tener resistencia a los niveles extremos de estos factores.

Picos de temperatura

Las temperaturas cambian de altas a bajas cuando un dispositivo en órbita se mueve hacia la luz del sol o detrás de la sombra de la Tierra. Por ejemplo, la nave espacial Orión de la NASA, diseñada para viajar fuera de la órbita lunar, experimentará temperaturas que oscilarán entre -101 y 288 grados Celsius (-150 y 550 grados Fahrenheit). Dado que la Orion llevará una tripulación humana, la temperatura en el interior de las salas de estar y de trabajo debe mantenerse estable a 25 grados Celsius (77 grados Fahrenheit).

Para lograr esta tarea, la NASA combinará controles de temperatura y un sistema de protección térmica para mantener seguros a los astronautas en su interior. Las temperaturas se vuelven aún más extremas en la reentrada. Al desplazarse a una velocidad de 25.000 mph, la fricción de la atmósfera generará un calor alrededor de la nave de hasta 2.760 grados Celsius (5.000 grados Fahrenheit). Los escudos térmicos AVCOAT de la nave la protegerán a su costa. Estos escudos de un solo uso se desintegrarán durante la reentrada.

Gravedad

El lanzamiento de una nave espacial requiere superar la atracción gravitatoria de la Tierra, pero durante el impulso ascendente al abandonar la plataforma de lanzamiento, la nave experimentará hasta tres veces la fuerza de la gravedad terrestre. Los materiales utilizados en la nave no pueden romperse, doblarse o debilitarse bajo tales efectos.

Después de que la nave entra en órbita, la fuerza gravitatoria desciende a casi cero. Este cambio de una fuerza gravitatoria alta a otra nula puede afectar a la integridad de los materiales de baja calidad o de aquellos que no están diseñados para soportar tales tensiones.

Radiación

Fuera de la protección de la atmósfera terrestre, los niveles de radiación aumentan. Pero esos valores que llegan a una nave espacial dependen de la altura a la que esa nave orbite el planeta. Las que se encuentran en una órbita terrestre baja experimentarán menos radiación que las que se encuentran en órbitas más altas o están destinadas a viajes aún más lejanos. Las tormentas solares pueden disparar drásticamente los niveles de radiación sin apenas avisar.

En la Orión, que experimentará mucha más radiación que los satélites en la órbita terrestre, varios sistemas redundantes protegerán a la nave y a los astronautas de la radiación. Cuatro sistemas informáticos seguirán controlándose a lo largo del viaje. Un ordenador de reserva independiente mantendrá la nave en funcionamiento en caso de que la radiación provoque un fallo en los otros cuatro ordenadores. Los astronautas dispondrán de un refugio contra tormentas especialmente blindado al que retirarse en caso de tormentas solares, y la NASA está probando actualmente una ropa única de protección contra la radiación que los astronautas pueden ponerse rápidamente para mantener sus órganos a salvo de los daños causados por la radiación.

Presión

La nave espacial experimentará fuerzas internas y externas. Por ejemplo, la presión interna del oxígeno dentro de la Estación Espacial Internacional es de 15 libras por pulgada. La estructura de la nave debe soportar esta fuerza desde el interior, además de conservar su forma a causa de las presiones exteriores que se ejercen sobre ella, como los cambios gravitatorios durante el lanzamiento.

Impactos

Con el paso del tiempo, el número de satélites desaparecidos que siguen en órbita ha aumentado. Estas cáscaras crean grandes cantidades de basura espacial alrededor de la Tierra, y cualquier nave en órbita experimentará varios impactos de esta basura. Al igual que los satélites actuales, los modelos más antiguos tenían construcciones igualmente duraderas. Por lo tanto, sus materiales son robustos y pueden crear un daño significativo a los nuevos satélites que no pueden soportar los impactos.

En órbita, la basura espacial no es el único problema para los satélites. Los meteoritos pueden alcanzar velocidades superiores a las de las balas, 42 kilómetros por segundo (26 millas por segundo). A estas velocidades, incluso las pequeñas rocas espaciales pueden abrir un agujero en una parte débil de un satélite. Los desechos naturales y los provocados por el hombre son amenazas reales para cualquier nave espacial, por lo que la comprobación de los impactos durante los programas de prueba de materiales debería ser una parte esencial de la creación de cualquier nave espacial en órbita.

Vibraciones

Las vibraciones pueden no producirse en el espacio, pero las naves espaciales experimentarán mucho movimiento durante e inmediatamente después del lanzamiento. Las pruebas de barrido sinusoidal examinan cómo los satélites manejan una variedad de frecuencias de vibración. Probando una serie de movimientos en los materiales, los científicos pueden encontrar los puntos débiles y corregirlos antes de que la nave llegue a la órbita.

¿Qué tipos de objetos necesitan sobrevivir en el espacio?

Diversas naves deben ser construidas para soportar los extremos del espacio. Los satélites, las lanzaderas e incluso las unidades de movilidad extravehicular (UME) deben tener componentes que los protejan de los impactos, la presión, la radiación y los cambios de temperatura. Dado que todos ellos deben soportar condiciones similares, variando sólo los niveles, las pruebas de supervivencia se solapan para muchos tipos de naves espaciales.

Los satélites son las naves espaciales más comunes. La Tierra tiene 1.500 satélites activos en órbita, tanto comerciales como gubernamentales. Hoy en día, todo, desde el GPS hasta las comunicaciones, proviene de los satélites. Si uno de estos orbitadores falla, millones de usuarios podrían encontrarse en situación de pérdida. Además, la empresa que opera el orbitador tendría que pagar otro lanzamiento. Probar los satélites para el espacio garantiza que las inversiones de las empresas en sus naves espaciales estén bien situadas.

Los materiales individuales deben probarse en la nave, y los sistemas también requieren un examen. En el caso de los satélites, las baterías, las pilas de combustible, los paneles solares, el sistema de comunicaciones, los componentes eléctricos y las antenas son sólo algunos de los elementos que probamos para garantizar que funcionarán correctamente una vez que el aparato alcance la órbita.

Los satélites destinados a la órbita geoestacionaria requieren pruebas para verificar el funcionamiento de su propulsión y la longevidad de los sistemas de a bordo para que la nave dure diez años o más. Estos satélites más grandes tienen sistemas más complejos, más piezas y, en consecuencia, requieren más pruebas.

Incluso las naves más pequeñas en órbitas más bajas siguen necesitando pruebas para garantizar que pueden llegar a la altitud de la órbita con seguridad y hacer su trabajo correctamente. Al someter a los pequeños satélites a pruebas de simulación espacial, podemos ver cómo sobrevivirá el dispositivo a las temperaturas, la humedad y la presión del espacio.

Además de los satélites, los equipos que llevan a bordo, incluidos los dispositivos de comunicación y las cámaras, deben tener la durabilidad necesaria para soportar las mismas condiciones. Las simulaciones espaciales pueden ayudar a confirmar que estos dispositivos cuentan con la protección adecuada frente a las duras condiciones que experimentarán durante su uso.

Mientras se asegura que la nave espacial en general y sus equipos aguantarán durante su uso, antes de construir la nave, los ingenieros necesitan saber que los materiales utilizados no fallarán cuando sean sometidos a las condiciones extremas del espacio.

Cómo las pruebas de materiales garantizan la supervivencia en el espacio

Cuando se diseñan las naves espaciales, los ingenieros necesitan saber los tipos de materiales a utilizar. Probar los elementos en sus formas y espesores diseñados garantizará que puedan soportar la tensión de entrar en órbita.

Las pruebas de materiales en el espacio no pueden ser una parte del proceso de diseño que los ingenieros pasen por alto. Las condiciones en la Tierra difieren tanto de las del espacio que los materiales utilizados para un satélite no experimentarán las circunstancias de la órbita hasta después del lanzamiento sin una prueba previa. Ninguna empresa quiere descubrir que su nave espacial ha fallado nada más entrar en órbita.

Para examinar a fondo la resistencia de los materiales, los probadores los someten a un aluvión de pruebas para comprobar las múltiples tensiones que los materiales experimentarían en el espacio.

• Impactos: Los objetos artificiales y naturales bombardean diariamente los satélites en órbita. Las pruebas de impacto garantizan que los materiales puedan soportar golpes intensos.
• Corrosión: Este tipo de prueba verifica la vida útil antes de que el material se rompa.
• Compresión: La resistencia a la compresión es vital para los materiales destinados a experimentar las presiones extremas del espacio.
• Fatiga: Las naves espaciales se someten a intensas tensiones, y las pruebas de fatiga analizan cuánto tiempo durarán los materiales bajo las peores fuerzas hasta que fallen.
• Térmica: Exponer el material a las altas y bajas temperaturas extremas del espacio forma parte del proceso de pruebas térmicas.
• Flexión: Los materiales de soporte a menudo necesitan pruebas de flexión para ver cuánta carga pueden soportar las piezas antes de doblarse.
• Inflamabilidad: La inflamabilidad determina lo bien que arden los materiales, lo que se relaciona con la rapidez con que se propagará un incendio. Para los componentes relacionados con la seguridad de las naves aeroespaciales, los materiales deben detener las llamas en lugar de hacerlas avanzar.
• Composición: En el caso de los materiales compuestos, una garantía de su composición proporciona información adicional sobre cómo utilizarlos.
• Análisis termomecánico: El análisis termomecánico examina los cambios que sufre un material a través de un rango de temperaturas.

Las pruebas verifican que los materiales serán capaces de soportar las condiciones del espacio. Además, muchas agencias reguladoras exigen programas de pruebas para permitir la aprobación de las naves espaciales para ir al espacio. Cuando realizamos ensayos de materiales, garantizamos la compatibilidad con la normativa de la FAA y la RTCA DO-160. Al cumplir estos requisitos, podemos verificar que sus materiales podrán entrar en órbita. Las naves espaciales y los satélites no pueden sobrevivir en el espacio si no pueden llegar allí primero.

¿Qué materiales se utilizan en el espacio?

No todo puede soportar las duras condiciones del espacio, pero algunos materiales han demostrado ser excelentes en ese entorno.

Kevlar

El kevlar se asocia más frecuentemente con su uso en prendas antibalas para el ejército y la policía. Este material tiene varias propiedades que lo hacen ideal para su uso en las naves espaciales. Tiene la fuerza suficiente para resistir a las balas, por lo que es perfecto para soportar los impactos de meteoritos y basura espacial. Además, el Kevlar pesa poco en comparación con su durabilidad. También puede experimentar temperaturas extremas sin dañar su estructura o cambiar su forma.

Aluminio

Otro material comúnmente utilizado en las naves espaciales es el aluminio. Aunque por sí mismo, el aluminio no tiene la resistencia necesaria para su uso en el espacio, cuando se combina con otros metales en una aleación, su resistencia aumenta manteniendo su característico peso ligero. La aleación de aluminio se comporta tan bien en las pruebas de impacto que la Estación Espacial Internacional utiliza este material para los postigos de sus ventanas, con el fin de evitar que los residuos las dañen.

Compuesto reforzado de carbono-carbono

Para el morro del transbordador espacial, que se sometió a temperaturas superiores a los 1.260 grados Celsius (2.300 grados Fahrenheit), la NASA utilizó un compuesto reforzado de carbono-carbono (RCC). Otras zonas del transbordador espacial que experimentaron temperaturas igualmente elevadas utilizaron este compuesto.

La ventaja del RCC radica en su capacidad para emitir calor aplicado directamente sobre él, así como calor indirecto. El calor de las superficies cercanas del transbordador se desplazaba hasta las partes recubiertas de RCC, donde el RCC liberaba el calor, ayudando al transbordador a enfriarse, de forma similar a como un radiador enfría indirectamente el motor de un coche.

El proceso utilizado para crear el RCC creó grietas cuando los diseñadores aplicaron el recubrimiento de carburo de silicio a altas temperaturas. Sin embargo, cuando las temperaturas alrededor del transbordador aumentan, las grietas se cierran. Este cambio de la estructura del material a distintas temperaturas reitera lo necesario que es comprobar el contenido. Sin un examen minucioso, una pieza hecha de CCR o de una composición similar puede no funcionar como se espera a temperaturas elevadas, provocando el fallo de la pieza y de la nave espacial de la que forma parte.

Aislamiento de la superficie reutilizable

El aislamiento de la superficie reutilizable a altas temperaturas (HRSI) tiene un revestimiento de vidrio de borosilicato negro, lo que hace que esta superficie oscura sea capaz de soportar las mismas altas temperaturas que encontró el cono de la nariz. Las partes blancas del transbordador tienen un aislamiento de superficie reutilizable de baja temperatura (LRSI) y sólo pueden soportar temperaturas más bajas, de hasta 649 grados Celsius (1.200 grados Fahrenheit). El color blanco permite controlar mejor las temperaturas en el interior del transbordador, donde trabajaban los astronautas.

La NASA sustituyó el LRSI por un aislamiento de superficie reutilizable y flexible avanzado (ARSI). La agencia espacial utilizó el ARSI en los posteriores transbordadores Atlantis, Endeavor y Discovery. La aplicación de este aislamiento redujo el coste de construcción y el peso del transbordador.

Fieltro Nomex

Para las zonas más frías del transbordador que experimentaban temperaturas no superiores a 371 grados Celsius (700 grados Fahrenheit), la NASA utilizó un aislamiento de superficie reutilizable hecho de fieltro Nomex recubierto. El centro y la cola de la nave, además de las puertas de carga útil, tenían este revestimiento.

Vidrio térmico

Los transbordadores espaciales necesitaban ventanas que permitieran a los astronautas ver con claridad sin dejar que el calor atravesara el material. El vidrio térmico resultó ser la solución para proteger a los astronautas tanto de las altas como de las bajas temperaturas alrededor de las ventanas y de las presiones del viaje espacial.

Sílica

La tela de sílice rellenaba los huecos del transbordador espacial creados por las piezas móviles, como alrededor del tren de aterrizaje o del muelle de carga. Otra parte del transbordador que utilizó sílice en sus múltiples formas fue el cono de nariz RCC, que utilizó silicato de sodio para sellar las grietas creadas durante el proceso de revestimiento. La NASA seleccionó baldosas de sílice para las zonas de temperaturas más bajas del transbordador, y los constructores del transbordador utilizaron el recubrimiento de vidrio de borosilicato para las partes HRSI de la nave.

¿Por qué es necesario someter estos objetos a pruebas exhaustivas?

Los programas de pruebas de materiales aeroespaciales determinan si los satélites sobreviven en el espacio, así como la longevidad y durabilidad de los materiales. También evalúan otros factores para garantizar que las naves espaciales puedan realizar su trabajo. Sin el trabajo de las naves espaciales, muchas personas en la Tierra no podrían trabajar debido al fallo del GPS o de los servicios de imagen que proporcionan los satélites.

Cada programa de pruebas debe reproducir las condiciones más extremas posibles que experimentará la nave espacial. En el caso de los satélites y otras naves espaciales, las pruebas no son una fase única, sino un proceso que tiene lugar a lo largo de la construcción de la nave.

Cada parte de la nave espacial necesita ser evaluada incluso antes de que los materiales se unan para formar las piezas acabadas. Las pruebas de los materiales de los satélites garantizan que los componentes utilizados para la fabricación de las piezas resistan las condiciones extremas del espacio. De hecho, los entornos en el espacio son tan duros y los materiales deben soportar fuerzas tan intensas que la NASA ha creado compuestos como el RCC para utilizarlos donde las sustancias naturales fallan. Un programa exhaustivo de examen del rendimiento de los materiales y de las piezas del satélite hasta su finalización garantiza la longevidad del mismo.

Los componentes individuales tienen que someterse a pruebas, que los ingenieros también deben realizar en las partes más complejas que componen esas piezas. Una vez terminada, la nave necesita otra ronda de pruebas para garantizar su supervivencia en órbita. Estas rigurosas pruebas son un requisito para que cualquier nave espacial verifique que resistirá tanto las intensas fuerzas de lanzamiento como las condiciones extremas del espacio.

Los programas de pruebas verifican que las naves espaciales puedan obtener el permiso de lanzamiento cumpliendo con las regulaciones gubernamentales para los satélites. Además, estos programas proporcionan un valioso seguro para los inversores en el satélite. Con un precio de hasta 290 millones de dólares por un satélite meteorológico estándar, este tipo de proyectos exigen que se garantice la supervivencia de la nave.

Actualmente, no existen métodos para reparar los satélites en órbita. Cualquier nave que se lance debe estar totalmente preparada para durar lo suficiente como para cumplir con su trabajo. Cuando se producen fallos, las empresas pierden el coste de construcción y lanzamiento, así como el trabajo que el satélite habría realizado en órbita. En el caso de los satélites científicos diseñados para recopilar datos, una pérdida de este tipo podría alejar la investigación de su calendario previsto.

Los ingenieros necesitan saber qué tipos de pruebas de materiales para satélites deben realizar. Por ejemplo, los niveles de radiación dependen de si el satélite estará en órbita terrestre baja o en órbita geoestacionaria.

¿Qué tipo de prueba determina si los materiales pueden sobrevivir en el espacio?

Las pruebas de simulación espacial recrean las condiciones que experimentan los satélites en el espacio dentro de una cámara de vacío térmica. Esta cámara examina los efectos de tres cosas que los satélites deben soportar:

• Radiación solar infrarroja
• Alto vacío
• Temperaturas extremadamente frías

Cuando un satélite experimenta estas situaciones pueden producirse eventos individuales que no pueden ocurrir en la atmósfera terrestre a nivel del mar. Por ejemplo, la desgasificación puede no ocurrir hasta que los gases estén bajo altas temperaturas en el vacío, pero este evento es la razón más común para los problemas de las naves espaciales. Esencialmente, las pruebas de simulación espacial comprueban cuánto puede soportar un satélite o sus piezas antes de fallar.

En función de la aplicación, podemos adaptar las simulaciones para que cumplan normas específicas, como los estándares militares para componentes electrónicos, cómo afecta el medio ambiente a los equipos y los requisitos de la RCTA para las pruebas de equipos aéreos y condiciones externas. El cumplimiento de estas y otras normas le garantiza una nave segura y lista para el lanzamiento.

¿Cuáles son las capacidades de ensayo del NTS?

En el NTS, ofrecemos una gama de ensayos para materiales aeroespaciales y productos acabados. Nuestros ensayos espaciales y de satélites incluyen pruebas de propulsión y de simulación espacial para obtener resultados precisos que reflejen las condiciones a las que se enfrentará el dispositivo. Dado que su nave necesitará pruebas en cada paso de la creación, también ofrecemos pruebas de materiales además de ensayos para piezas y los satélites terminados.

Con 50 años de experiencia en pruebas aeroespaciales, nuestros expertos conocen con precisión los parámetros que debe cumplir su equipo para garantizar la supervivencia en el espacio. Hemos trabajado con casi todos los programas espaciales importantes que ha tenido Estados Unidos. Con tal experiencia en las pruebas de las naves espaciales más conocidas, así como de naves comerciales y de otro tipo menos conocidas pero igualmente importantes, podemos realizar las pruebas que necesita a su entera satisfacción.

Para más información o para hablar con uno de nuestros expertos, póngase en contacto con nosotros en línea. Una vez que sepa que su equipo necesita pruebas aeroespaciales, háganoslo saber. Le daremos un presupuesto gratuito para que pueda empezar a preparar sus satélites u otras naves para el espacio.