Un pequeño satélite en construcción en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) podría abrir nuevos horizontes en la exploración espacial. Los estudiantes de la Universidad de Princeton están construyendo el dispositivo, llamado satélite cúbico, o CubeSat, como banco de pruebas para un propulsor de cohete miniaturizado con capacidades únicas que se están desarrollando en PPPL.

El propulsor cuyo desarrollo está dirigido por el físico de PPPL Yevgeny Raitses, promete una mayor flexibilidad para la misión de CubeSats, más de 1, 000 de los cuales han sido lanzados por universidades, centros de investigación e intereses comerciales de todo el mundo. El dispositivo de propulsión propuesto, impulsado por plasma, podría subir y bajar las órbitas de CubeSats que rodean la Tierra, una capacidad que no está ampliamente disponible para las naves espaciales pequeñas en la actualidad, y tendría el potencial para la exploración del espacio profundo. "Esencialmente, podremos usar estos propulsores en miniatura para muchas misiones, "Dijo Raitses.

Cientos de CubeSats microalimentados

Un ejemplo:el físico Masaaki Yamada imaginó cientos de CubeSats con micropoderes, investigador principal del Experimento de Reconexión Magnética PPPL (MRX), que estudia la reconexión magnética:la separación y el chasquido explosivo de las líneas del campo magnético en el plasma que desencadenan las auroras. erupciones solares y tormentas geomagnéticas que pueden interrumpir el servicio de telefonía celular y las redes eléctricas en la Tierra. Tales flotas de CubeSat podrían capturar con gran detalle el proceso de reconexión en la magnetosfera, el campo magnético que rodea la Tierra, Dijo Yamada.

El motor miniaturizado reduce la escala de un propulsor cilíndrico con una geometría de alto volumen a superficie desarrollado en el Experimento de propulsores Hall PPPL (HTX), que Raitses dirige y lanzó con el físico de PPPL Nat Fisch en 1999. El experimento investiga el uso del plasma, el estado de la materia compuesta de electrones que flotan libremente y núcleos atómicos, o iones — para la propulsión espacial.

Ventaja clave

Una ventaja clave del propulsor Hall cilíndrico miniaturizado será su capacidad para producir una mayor densidad de empuje de cohetes que los propulsores de plasma existentes utilizados para la mayoría de los CubeSats que ahora orbitan la Tierra. El propulsor miniaturizado puede lograr tanto una mayor densidad como un alto impulso específico, el término técnico para la eficiencia con la que un cohete quema combustible, que será muchas veces mayor que el producido por los cohetes químicos y los propulsores de gas frío típicamente utilizados en satélites pequeños.

Los propulsores de alto impulso específico usan mucho menos combustible y pueden alargar las misiones de los satélites. haciéndolos más rentables. Igualmente importante es el hecho de que un impulso específico alto puede producir un aumento lo suficientemente grande en el impulso de un satélite como para permitir que la nave espacial cambie de órbita, una característica que no está disponible en los CubeSats que orbitan actualmente. Finalmente, La alta densidad de empuje permitirá que los satélites logren órbitas complejas con optimización de combustible en un tiempo razonable.

Estas capacidades brindan muchos beneficios. Por ejemplo, un CubeSat podría descender a una órbita más baja para rastrear huracanes o monitorear los cambios en la costa y regresar a una órbita más alta donde la fuerza de arrastre en un satélite es más débil, requiriendo menos combustible para la propulsión.

El CubeSat de aproximadamente un pie de largo, que Princeton ha denominado "TigerSat, "consta de tres cubos de aluminio de casi cuatro pulgadas apilados verticalmente. Sensores, baterías equipos de radio y otros instrumentos llenarán el CubeSat, con un propulsor miniaturizado de aproximadamente el mismo diámetro que dos cuartos estadounidenses alojados en cada extremo. Un propulsor se disparará para cambiar de órbita cuando el satélite pase por el ecuador de la Tierra.

Estudiantes de ingeniería mecánica y aeroespacial

Construyendo el CubeSat hay unos 10 estudiantes de posgrado y pregrado de Princeton en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, con Daniel Marlow, el Profesor de Física Evans Crawford 1911, sirviendo como consejero de la facultad. Los estudiantes universitarios incluyen a Andrew Redd, quien lidera el diseño y construcción del CubeSat, y Seth Freeman, que trabaja a tiempo completo en el proyecto durante el verano. Jacob Simmonds trabaja en el desarrollo de propulsores, un estudiante graduado de ingeniería de tercer año, cuyos asesores de tesis son Raitses y Yamada. "Este proyecto comenzó como un prototipo del CubeSat de Yamada y se ha convertido en su propio proyecto como un banco de pruebas para el propulsor de plasma, "Dijo Simmonds.

También en construcción en PPPL hay una instalación de prueba diseñada para simular aspectos clave del funcionamiento del CubeSat. Los estudiantes universitarios que trabajan en su propio tiempo están construyendo el satélite y esta instalación. "En la medida en que los estudiantes y sus asesores hayan identificado preguntas bien definidas asociadas con el proyecto TigerSat, pueden obtener crédito por trabajo independiente, "Dijo Marlow." Además, algunos conjuntos de problemas en el curso de introducción a la física para estudiantes universitarios que enseño tienen preguntas relacionadas con el plan de vuelo de TigerSat ".

Simmonds, mientras trabaja en el propulsor, está redactando una propuesta para la Iniciativa de Lanzamiento de Satélites Cúbicos (CSLI) de la NASA que debe presentarse en noviembre. Proyectos seleccionados por la iniciativa, que promueve las asociaciones de tecnología público-privada y el desarrollo de tecnología de bajo costo, tienen los costos de lanzamiento cubiertos en vehículos comerciales y de la NASA. Los planes requieren un lanzamiento de TigerSat en el otoño de 2021.

Valor de la colaboración

Para Raitses, este proyecto demuestra el valor de la colaboración de los estudiantes de ingeniería de Princeton con PPPL y de la cooperación de los profesores universitarios con el Laboratorio. "Esto es algo que se beneficia mutuamente, " él dijo, "y algo que queremos incentivar".