Esta sobrecarga de prueba de una celda de batería de iones de litio en las instalaciones de prueba de CEA en Francia resultó en una explosión. Crédito:ESA / Airbus
Los ingenieros descendieron a los búnkeres para probar las baterías espaciales hasta su destrucción, por sobrecalentamiento, sobrecarga cortocircuitos e incluso disparándoles a balazos. La campaña de prueba de tres años está ayudando a evaluar el riesgo de que los satélites abandonados exploten en órbita debido a reacciones catastróficas de la batería.
Las pruebas de "abuso" extremo de la generación actual de baterías de iones de litio para el espacio se llevaron a cabo en los búnkeres de prueba de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia (CEA).
El objetivo era desarrollar directrices para garantizar que las baterías a bordo de los satélites permanezcan inactivas de forma segura después del final de una misión espacial. ayudando a evitar rupturas de satélites, una fuente importante de desechos espaciales.
"De las más de 250 explosiones de satélites conocidas que han tenido lugar en órbita, alrededor de 10 se han debido a las baterías, "explica el ingeniero de sistemas eléctricos de la ESA, François Bausier, supervisando el proyecto.
"Todas las explosiones de baterías en el pasado se debieron a tecnologías más antiguas que ya no se utilizan para las nuevas misiones de la ESA.
"Nunca se ha observado que las baterías de iones de litio actuales para el espacio se rompan en vuelo, pero bien pueden explotar si térmicamente, abusado eléctrica o mecánicamente. Por lo tanto, los hemos sometido a condiciones extremadamente duras para simular lo que podrían encontrar las baterías una vez que concluya una misión espacial y un satélite quede a la deriva en órbita ".
Esta sobrecarga de prueba de 'abuso' de un módulo de batería espacial llevó a temperaturas de 950 ° C y, finalmente, a una explosión. Crédito:ESA / Airbus
Como parte de la iniciativa Espacio Limpio de la ESA, las pruebas surgieron de un enfoque más amplio en hacer que los satélites sean seguros una vez que su misión finalice apagándolos por completo.
Se llevaron a cabo más de 200 pruebas de abuso en diferentes tipos de celdas y módulos de batería, es decir, varias celdas conectadas entre sí. Estas células eran nuevas o habían sido sometidas a radiación espacial simulada y cargadas y descargadas muchas veces para envejecerlas.
Las pruebas incluyeron un enfoque en el funcionamiento de los sistemas de protección interna dentro de las propias celdas en condiciones extremas, como disyuntores internos o mecanismos de ventilación en caso de sobrepresión.
Los métodos de destrucción incluyeron cortocircuitos externos e internos, fallas que pudieran surgir debido a problemas de aislamiento, fallas estructurales o defectos de fabricación; otras pruebas incluyeron sobrecarga que provocan sobrecalentamiento y también pruebas directas de sobrecalentamiento.
Un satélite del Programa de Satélites Meteorológicos de Defensa de la Fuerza Aérea de EE. UU. (DMSP), un satélite meteorológico militar ubicado en órbita terrestre baja. El DMSP-13 se rompió en unos 40 pedazos el 3 de febrero de 2015. Se cree que esta explosión fue causada por una sobrecarga de la batería. Crédito:USAF
También se realizaron pruebas de "sobredescarga" para investigar si un método de descarga de este tipo podría utilizarse para "pasivar" de forma segura las baterías al final de su vida útil.
Las altas temperaturas de la batería, como las que se pueden encontrar cuando un satélite a la deriva languidece bajo la luz solar orbital, pueden desencadenar reacciones muy rápidas. a veces demasiado rápido para que los sistemas de protección se activen.
"Otro método de abuso fue simular el impacto de un micrometeoroide o un elemento de desecho espacial, "añade Francois." Las velocidades orbitales pueden superar los 20 km / s; no pudimos alcanzar esta velocidad en el suelo, así que decidimos usar una bala más grande en su lugar:8 mm en lugar de 0,8 mm. Con esta configuración se logró la misma energía general ".
La mayoría de las pruebas se realizaron en una atmósfera inerte, falta de oxígeno, para que coincida con el entorno orbital. Pero esta falta de oxígeno no significa necesariamente que las reacciones sean mucho menos violentas, ya que las propias células contienen combustible y oxidante para la combustión.
Para simular un impacto de micrometeoroide, se disparó una bala de 8 mm en una celda de batería espacial para simular un impacto de micrometeoroide. Crédito:ESA / Airbus
Las recomendaciones de pasivación de satélites resultantes incluyen que las baterías deben descargarse tanto como sea posible al final de su misión, y estar completamente desconectado de los paneles solares para evitar más cargas o sobrecargas. Además, las baterías deben mantenerse a temperaturas seguras. Idealmente, estas recomendaciones deberían tenerse en cuenta al principio de la fase de diseño de la misión.
La especialista en baterías de la ESA, Maria Nestoridi, apoyó este proyecto. "Es importante comprender que las recomendaciones de esta actividad se basan en pruebas realizadas en celdas de iones de litio calificadas para uso espacial actuales. Los umbrales para los nuevos diseños de celdas, por supuesto, tendrán que ser definidos en el futuro por los respectivos fabricantes de baterías".
Crédito:Agencia Espacial Europea
La pasivación es un tema importante para todos los satélites, pero en particular para los que se encuentran en una órbita terrestre baja con mucho tráfico por debajo de los 2000 km de altitud, donde las regulaciones internacionales exigen la desorbitación posterior a la misión en un plazo de 25 años, y que estos satélites permanezcan inactivos de forma segura mientras tanto.
