Energía para la órbita

Los satélites, como este pequeño satélite de la TU Berlín, dependen de baterías cuando atraviesan la sombra de la Tierra en su órbita y sus células solares no pueden generar energía.

En el centro de «SpaceBox» se encuentra un módulo de batería basado en una tecnología innovadora de litio-azufre. Estas baterías pueden almacenar mucho más energía que las baterías de iones de litio convencionales de igual peso. Para comparar: en la caja de baterías mostrada del satélite TUBIN de la TU Berlín, actualmente están instalados dos paquetes de baterías de iones de litio.

Una de las áreas principales de la TU Berlin se centra en el sistema de gestión de baterías, que supervisa el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga de las celdas, garantizando así un funcionamiento seguro en el espacio. El desarrollo se basa, entre otros, en la experiencia adquirida en las exitosas misiones satelitales TUBIN. Aquí se puede ver el satélite TUBIN completamente integrado en el laboratorio del departamento de Tecnología Aeroespacial.

Los satélites dependen de almacenamientos de energía confiables: cuando atraviesan la sombra de la Tierra en su órbita, sus células solares no pueden generar energía. Las baterías superan estas fases y apoyan la operación incluso cuando a bordo se requiere un rendimiento temporalmente mayor del que las células solares pueden proporcionar. En el proyecto de investigación «SpaceBox», un consorcio berlinés de ciencia e industria desarrolla una nueva generación de baterías espaciales. El objetivo es un sistema de baterías integrado, que sea mucho más ligero y potente que las soluciones actuales y que, al mismo tiempo, resista los altos requisitos del espacio exterior.

Más energía con menos peso

En el centro de «SpaceBox» se encuentra un módulo de batería completamente integrado basado en una tecnología innovadora de litio-azufre. Estas baterías pueden almacenar significativamente más energía que las baterías de iones de litio habituales con el mismo peso. Para los satélites, esto es una ventaja decisiva: cada kilogramo ahorrado reduce los costos de transporte al espacio y crea margen para cargas útiles adicionales, misiones de mayor duración o plataformas satelitales más pequeñas y económicas. La tecnología de litio-azufre utilizada y en desarrollo en el proyecto pretende alcanzar densidades de energía de más de 300 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). En comparación: las baterías de iones de litio más comunes suelen tener 150 Wh/kg.

Pruebas en condiciones espaciales

Al final del proyecto, un demostrador calificado mostrará que la tecnología es apta para futuras misiones espaciales. Para ello, el departamento de ingeniería espacial de la TU Berlin prueba celdas de batería, electrónica, sistema de gestión de baterías y el módulo completamente integrado en condiciones espaciales realistas.

El enfoque está en aplicaciones en la órbita terrestre baja, conocida como Low Earth Orbit (LEO), donde se encuentran la mayoría de los satélites, así como en posibles usos más allá de ella. A medida que aumenta la distancia de la Tierra, la protección del campo magnético disminuye, lo que incrementa la exposición a radiación. Esto puede causar disminución del rendimiento, errores o fallos en los sistemas electrónicos.

La calificación para el espacio exterior incluye, entre otras, pruebas de vacío térmico, choque y vibración, ciclos de carga y descarga, así como series de pruebas para resistencia a la radiación espacial. Estas pruebas deben demostrar la capacidad del sistema en condiciones de misión realistas y también determinar sus límites de uso.

La TU Berlin asume la integración del sistema

El departamento de ingeniería espacial de la TU Berlin asume un papel central como integrador del sistema en el consorcio. Define los requisitos del módulo de batería, desarrolla el sistema de gestión de baterías, coordina las pruebas de calificación y es responsable de la integración del sistema completo.

«Con SpaceBox, combinamos nuestra amplia experiencia en el desarrollo de sistemas satelitales con una tecnología de baterías prometedora», dice Philipp Werner, ingeniero de sistemas en el departamento de ingeniería espacial de la TU Berlin. «El objetivo es desarrollar un sistema de almacenamiento de energía completamente integrado y calificado para el espacio, que haga que futuras misiones satelitales sean más potentes y eficientes.»

Seguridad y monitoreo en órbita

Un enfoque especial de la TU Berlin está en el sistema de gestión de baterías. Garantiza que la batería funcione de manera segura y confiable en el espacio. Para ello, monitorea continuamente valores importantes como voltaje, corriente, temperatura y estado de carga de las celdas individuales. De esta forma, el sistema puede detectar tempranamente si algo no funciona como se espera y activar las medidas de protección correspondientes. Además, el sistema de gestión equilibra las celdas para que se sometan a cargas lo más uniformes posible. Esto ayuda a mantener el rendimiento y la vida útil de la batería, incluso bajo las condiciones especiales del espacio. El desarrollo se basa en experiencias de desarrollos propios del departamento de ingeniería espacial para las misiones satelitales exitosas TechnoSat y TUBIN. Para ello, ya existe un amplio catálogo de hardware calificado y software modular que se continúa desarrollando en el proyecto.

Buena colaboración

«Sobre todo en celdas de batería para aplicaciones espaciales, a menudo debemos recurrir a socios internacionales», dice Philipp Werner. «Un socio nacional competente que en el futuro pueda ofrecer incluso nuestras celdas calificadas para el espacio es ya una gran ventaja para los proyectos espaciales alemanes.» Los socios del proyecto son el departamento de ingeniería espacial de la Universidad Técnica de Berlín, los desarrolladores de celdas de batería de theion GmbH en Berlín, que desarrollan las nuevas celdas de batería, y Space Structures GmbH, que desarrolla una carcasa ligera y robusta. El proyecto cuenta con una financiación de aproximadamente 3 millones de euros del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio a través de la Agencia Espacial Alemana en el Centro Aeroespacial Alemán y tiene una duración de 30 meses.

Amplia experiencia en nanosatélites y formación de nuevos científicos

El departamento de ingeniería espacial de la TU Berlin tiene una larga experiencia en el desarrollo, fabricación, verificación y operación de nanosatélites. Desde 1991, la TU Berlin ha participado en el lanzamiento y operación exitosa de 31 nanosatélites. Las actividades de investigación actuales van desde plataformas CubeSat y microsatélites hasta misiones a la Luna y Venus. Entre los enfoques principales están la electrónica espacial robusta, la integración de sistemas y las cuestiones de blindaje contra radiación.

Además de los objetivos tecnológicos, «SpaceBox» también contribuye a la formación de profesionales científicos. Se involucra activamente a doctorandos y estudiantes en las investigaciones. Entre los planes están, por ejemplo, tres puestos para asistentes estudiantiles. Ellos adquieren competencias en tecnologías de almacenamiento electroquímico, gestión de baterías, sistemas espaciales y integración de sistemas durante el proyecto.