A mediados de diciembre Los discos gemelos comenzarán a brillar en azul en la parte inferior de una nave espacial del tamaño de un minibús en el espacio profundo. En ese momento, la misión BepiColombo de Europa y Japón habrá dado un paso crucial hacia Mercurio.

Esta semana ve la puesta en marcha en vuelo y el encendido de prueba de los cuatro propulsores, con uno o dos encendidos a la vez, del sistema de propulsión eléctrica solar en el que se basa BepiColombo para llegar al planeta más interno. Esto marca la primera operación en vuelo del sistema de propulsión eléctrica más potente y de mayor rendimiento que se haya volado en cualquier misión espacial hasta la fecha.

Cada propulsor y su procesamiento de potencia asociado y las unidades de control de flujo del propulsor se probarán a plena potencia para verificar que no se hayan incurrido efectos nocivos desde el lanzamiento. culminando en las primeras operaciones de propulsores gemelos, la configuración que se utilizará durante la mayor parte de la misión.

Su primer disparo de rutina está programado para mediados del próximo mes. y el sistema de propulsión funcionará de forma continua durante tres meses para optimizar la trayectoria de la nave espacial para el largo viaje a Mercurio.

BepiColombo, lanzado desde el puerto espacial europeo en la Guayana Francesa el 20 de octubre, enfrenta un desafío diferente al de las misiones científicas planetarias de la ESA:se dirige hacia adentro, hacia el sol, no fuera, y necesita perder velocidad en lugar de ganarla.

Como todos los objetos del Sistema Solar, la nave espacial está en órbita solar, moviéndose perpendicular a la atracción de la gravedad del Sol. Por tanto, BepiColombo tiene que reducir la velocidad mediante una serie de maniobras de frenado y sobrevuelos, haciéndolo más susceptible a la gravedad del Sol y dejándolo en espiral más cerca del corazón del Sistema Solar.

El empuje producido por el sistema de propulsión eléctrica sirve para desacelerar la nave espacial, o en algunos casos lo acelera para hacer más efectivos sus sobrevuelos de frenado. No menos de nueve sobrevuelos planetarios de la Tierra (una vez), Venus (dos veces) y el propio Mercurio (seis veces) son necesarios para colocar la nave espacial de múltiples módulos en órbita alrededor de Mercurio en siete años.

Remolcador espacial

La porción del módulo de transferencia de mercurio de la nave espacial, que contiene el sistema de propulsión, es, en esencia, un 'remolcador espacial' de alto rendimiento. Su tarea es realizar todas las maniobras activas de control de trayectoria necesarias para transportar las otras partes de la 'pila' de BepiColombo (el Mercury Planet Orbiter de la ESA y el Mercury Magnetospheric Orbiter de Japón) a la órbita de Mercurio.

El alto rendimiento del sistema de propulsión, en términos de la cantidad de combustible que requieren los propulsores, es critico. Se alimenta gas inerte de xenón a los propulsores, donde los electrones se eliminan primero de los átomos de xenón. Los átomos cargados eléctricamente resultantes, referidos como iones, luego se enfocan y expulsan de los propulsores utilizando un sistema de rejilla de alto voltaje a una velocidad de 50 000 metros por segundo.

Esta velocidad de escape es 15 veces mayor que la de los propulsores de cohetes químicos convencionales, permitiendo una reducción drástica en la cantidad de propulsor requerido para lograr la misión.

"El sistema de propulsión transforma la electricidad generada por los paneles solares gemelos de 15 m de largo del Módulo de transferencia de mercurio en empuje, "explica el ingeniero de propulsión eléctrica de la ESA, Neil Wallace.

"A plena potencia, se desarrolla un empuje equivalente al peso de tres monedas de 1 euro, lo que significa que los propulsores deben seguir funcionando durante largos períodos para ser efectivos, pero en ausencia de cualquier arrastre y asumiendo que eres paciente, las maniobras que son posibles y la carga útil que se puede transportar son dramáticas ".

Propulsión electrizante de naves espaciales

Los cuatro propulsores T6 alrededor de los cuales está diseñado el sistema de propulsión eléctrica solar, tienen una herencia que se remonta a décadas. QinetiQ en el Reino Unido, anteriormente la Agencia de Investigación y Evaluación de Defensa del Reino Unido y antes, el Farnborough Royal Aircraft Establishment, ha estado investigando la propulsión eléctrica desde la década de 1960.

El primer vuelo de su tecnología llegó con el propulsor T5 de 10 cm de diámetro, un elemento clave de la misión GOCE de cartografía gravitacional de la ESA en 2009, donde permitió que el satélite orbitara en la parte superior de la atmósfera de la Tierra durante más de tres años, deslizándose a través de la atmósfera difusa a la altitud orbital sin precedentes necesaria para la misión.

Los propulsores T6 ampliados tienen 22 cm de diámetro, el aumento de tamaño requerido para los requisitos de mayor empuje y vida útil de la misión BepiColombo. Y a diferencia del T5 de GOCE, estos propulsores T6 son maniobrables, cortesía de los sistemas de cardán desarrollados por RUAG Space en Austria.

"Son mecanismos inteligentes que complican un poco el diseño del sistema, todos los cables y tuberías eléctricos tienen que cruzar un límite móvil, pero añaden mucho al rendimiento. ", añade Neil." Aseguran que el vector de empuje de un motor simple o doble que dispara atraviesa el centro de gravedad de la nave espacial, que cambia con el tiempo a medida que se agota el propulsor ".

Las operaciones del propulsor se controlan mediante dos unidades de procesamiento de energía, cuya arquitectura está diseñada para soportar el disparo de dos T6 simultáneamente incluso en el caso de cualquier anomalía del sistema, garantizando que se puede mantener el empuje máximo de 250 mN.

Inyectando inteligencia

"La inteligencia del sistema para el funcionamiento autónomo de los propulsores proviene de estas Unidades de Procesamiento de Energía, aportadas por Airbus Crisa en España, "explica Neil, "que suministran los voltajes y corrientes regulados a los propulsores según las instrucciones del control de tierra a través de la computadora a bordo de la nave espacial".

Los otros elementos clave son las unidades de control de flujo de propelente, también supervisado por las PPU, y el arnés eléctrico de alto voltaje. Las FCU garantizan que se suministren los flujos correctos de gas xenón a los propulsores y fueron desarrolladas por Bradford Engineering en los Países Bajos para proporcionar caudales programables.

Los diversos elementos del sistema de propulsión se han sometido a pruebas de rendimiento y calificación individuales y exhaustivas, que finalmente concluyen en una serie de pruebas realizadas en el sitio de Farnborough de QinetiQ.

Testing times

The spacecraft configuration and the extreme nature of the BepiColombo mission – needing to function in thermal conditions akin to placing it in a pizza oven – often demanded similarly extreme test scenarios, pushing the solar electric propulsion technology and test facilities to their limits.

"One important test early in the programme was to ensure that two thrusters could be operated in close proximity for prolonged periods without harmful interactions, " adds Neil. "They turned out to be remarkably tolerant of each other with no measureable effects."

One of the biggest ironies of the thruster qualification for BepiColombo, heading close to the Sun, was the extreme minimum temperatures experienced by its ion thrusters.

Neil explains:"Despite the fact the mission is headed to Mercury, the bulk of the spacecraft shadows the thrusters for very long periods and when not operating they naturally cool to temperatures way lower than ever tested in the past. We needed to prove they would turn-on and operate within specification when cooled to minus 150 C.

"It was a remarkable testament to the robustness of the technology that even after temperatures sufficient to freeze the xenon in the pipes the thrusters were able to start and operate flawlessly."

End of the journey

The propulsion system is dependent on the Mercury Planetary Orbiter's onboard computer for its control and command, so by itself it will not be able to function. Its ultimate fate is to be cast off, when the three-module BepiColombo stack separates before entering Mercury orbit, to circle the Sun indefinitely in the vicinity of the planet, letting the two science modules go to work.

"At one point while planning the BepiColombo mission, the Mercury Transfer Module was planned to impact the planet, " Neil comments, "a sort of Viking funeral that seemed fitting to all of us engineers."

Gridded ion thruster technology will have a life far beyond BepiColombo however, with commercial applications in development, y futuro, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.