Diseñan el primer propulsor espacial mexicano para microsatélite

Tania Robles/CONACYT México Es el primer prototipo diseñado y fabricado en el país, desarrollado en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Se trata de un propulsor para una aplicación en el espacio, un componente que formará parte de los sistemas integrados propuestos para el microsatélite Quetzal. El maestro en Ingeniería Eric Adrián Tejada Malpica es el desarrollador de este prototipo como parte de su tesis de maestría en la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Su creación se ha realizado con la colaboración del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) y la Unidad de Alta Tecnología (UAT) de la UNAM. Se tiene programado su uso como parte del microsatélite Quetzal, el cual hará mediciones de los contaminantes en la atmósfera sobre ciudades mexicanas. Los sistemas de propulsión espacial sirven para realizar diversas maniobras orbitales, por ejemplo, cuando al término de la vida útil del satélite, este es desorbitado por estos sistemas para su caída a la Tierra, o para hacer transferencias orbitales al cambiar su posición de una a otra. También para su inserción orbital, "cuando se sube un satélite, se le indica a la compañía lanzadora a qué altura y en qué órbita se quiere colocar; el cohete lo coloca lo más cerca posible, considerando que para tener una mayor exactitud se necesita de un sistema propio de propulsión que permite que se realicen las maniobras burdas que lo llevan a la órbita deseada, luego a través del subsistema de control y apuntamiento se hacen las maniobras finas", explica Tejada Malpica, quien propone este propulsor espacial. Los asesores de tesis del maestro Tejada fueron los doctores Yu Tang Xu y Jorge Alfredo Ferrer Pérez, ambos de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Este desarrollo se llevó a cabo en la Facultad de Ingeniería, en el Posgrado de Ingeniería y en el Laboratorio Nacional de Ingeniería Espacial y Automotriz (LNIEA) en Querétaro, el cual se encuentra en construcción y será utilizado para realizar pruebas de precertificación de vuelo en ambientes espaciales, justamente lo requerido por este propulsor. Por otro lado, Tejada Malpica recibió apoyo de la Red Temática de Investigación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), Red de Ciencia y Tecnología del Espacio (Redcyte), Fondo MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI), del mismo MIT para realizar estancias en el recinto, del Conacyt al ser becario de maestría y, finalmente, por el Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT) de la UNAM.

Propulsor Hall

"Me involucré en este proyecto durante la maestría porque fue cuando se me dio la oportunidad de entrar al área de propulsión. Anteriormente a la maestría, en la licenciatura, quería relacionarme con este tema, pero no había quién me dirigiera la tesis, fue entonces cuando a la mitad de la maestría se incorporó el doctor Jorge Ferrer y me invitó a colaborar con él en la parte de propulsión del proyecto Quetzal junto al doctor Yu Tang; me dijo que esta parte la quería retomar y que sabía que yo estaba interesado en el tema", comentó. Asimismo, el investigador, junto con sus asesores, comenzó a desarrollar un propulsor adecuado como propuesta a los requerimientos del microsatélite Quetzal. El propulsor elegido fue de tipo Hall, sobre otros tipos ya existentes, como el resistojet, arcjet, propulsores magnetoplasmadinámicos, coloidales, entre otros. "Consideramos que el propulsor de efecto Hall contaba con una tecnología muy didáctica para comenzar a adentrarnos en la propulsión eléctrica. Era el más adecuado para el microsatélite Quetzal, con base en su funcionamiento, ya que se había utilizado en misiones similares, además de que uno de los requerimientos del proyecto era que fuera un propulsor de baja potencia y los de efecto Hall cumplen con esta característica. En el espacio se utiliza la propulsión eléctrica y el Hall funciona creando un impulso a través de un plasma", agregó. El propulsor de principio Hall es un dispositivo al cual se le introduce un propelente (combustible), que en este caso es gas xenón. Este propelente con átomos neutros se hace pasar por un circuito magnético del cual las partículas negativas (los electrones) son atrapadas y quedan confinadas en un campo magnético radial y, a su vez, los iones positivos restantes son expulsados hacia el exterior. Esto se logra también mediante un cátodo, otra parte externa del propulsor que permite la ionización al inyectar electrones dirigidos hacia las partículas confinadas del propulsor y otros dirigidos hacia fuera, para que los iones positivos que están siendo expulsados por el propulsor se mezclen y generen un plasma cuasineutro que produce un empuje, el cual se transmite a través del circuito magnético y, a su vez, a la estructura mecánica del satélite, creando un movimiento del mismo por una propulsión eléctrica en el vacío. El propulsor tiene un tamaño de ocho centímetros de diámetro por diez centímetros de largo, aproximadamente. Estas dimensiones del propulsor son las necesarias y correctas para el microsatélite Quetzal que hará uso de un solo propulsor, "los requerimientos lo establecen así, porque indican que el propulsor no puede consumir demasiada energía del satélite", comentó Tejada Malpica. Este propulsor forma parte del sistema de propulsión que también contiene el tanque, el control de suministro de propelente, la unidad de control de propulsión, la unidad de procesamiento de poder y finalmente el propulsor de efecto Hall diseñado por Tejada Malpica. Este subsistema trabajará en los momentos de desplazamiento que se requieran durante la misión e interactuará con otros subsistemas para poder otorgar movilidad al Quetzal. Estará conectado con el subsistema de potencia y suministro de energía, al subsistema de telemetría, seguimiento y comando, al subsistema de computadora de a bordo, al subsistema de control térmico y al de estructura mecánica.

Fondos y temporalidad

Este trabajo comenzó en 2012 cuando Eric Tejada realizaba su maestría. A finales de 2014, él comenzó la fabricación de este prototipo espacial con la ayuda del experto en manufactura de alta exactitud y precisión, el profesor Miguel Ángel Hernández Alcántara. "Durante el diseño fue muy difícil encontrar información referente al tema porque la mayoría se encuentra restringida, está en libros y artículos costosos en el extranjero o bajo el conocimiento de grandes universidades como el MIT, mismos que nos ofrecieron la oportunidad de realizar dos estancias en el Laboratorio de Propulsión Espacial y el Laboratorio de Sistemas Espaciales para aprender y conocer sobre esta área. Por otra parte, la manufactura del propulsor nos dio nuevos retos y desafíos por la gran precisión que se requería y la gran complejidad de algunos de sus componentes”, afirmó. Con los fondos otorgados al proyecto, Tejada Malpica tuvo la posibilidad de comprar entre tantos, dos elementos muy importantes de importación para su propulsor: una cerámica especial usada por su alta resistencia al calor y por su baja erosión ocasionada por el plasma generado, y un metal que usará para hacer una pieza que va dentro del propulsor. Los materiales que se utilizan en estas tecnologías son especiales, pues necesitan que no se gasifiquen y que soporten los cambios de altas y bajas temperaturas, gran resistencia y algunas otras características que demanda el ambiente espacial. El costo del propulsor ha sido relativamente económico y posible de manufacturar en el país. "Si lo comparas con otros propulsores comerciales que andan en el orden de 80 mil dólares, nuestro propulsor al comercializarlo saldría en menos de la mitad de ese costo, lo que lo volvería muy competitivo", explicó. Este propulsor acaba de ser concluido en su etapa de manufactura y actualmente el proyecto se encuentra en trámites para ser registrado con la patente del diseño. El siguiente paso será la realización de pruebas en el Laboratorio de Propulsión Espacial del MIT que se llevarán a cabo en el mes de enero. Se busca compartir la información referente a su diseño para que más países de Latinoamérica puedan trabajar en este tema. Finalmente, con base en la información recabada de las pruebas se pretende hacer un protocolo con el fin de mejorar el diseño y hacer pruebas a nivel nacional. "En el LNIEA se encuentra el Laboratorio de Propulsión Espacial y Termovacío, el cual contará con una cámara de vacío en el que se harán las pruebas de los siguientes propulsores que desarrollaremos", comentó el maestro Tejada. Una de las razones por la que se comenzó a hacer este propulsor tipo Hall tiene que ver con limitaciones que México ha tenido al estar restringido en adquirir algunas tecnologías como lo podría ser un propulsor espacial, "si desarrollamos los conocimientos de ingeniería y de sistemas espaciales necesarios, entonces podemos crear nuestra propia tecnología y no tener que depender de otros países. Con este propulsor queremos crear las bases de una independencia tecnológica para el país", concluyó.