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Proyecto Icaro, los sistemas de la nave interestelar

El Proyecto Ícaro es un ambicioso estudio de cinco años para lanzar una nave espacial no tripulada hacia un viaje interestelar. Iniciado por la Sociedad Interplanetaria Británica , y gestionado por Icarus interestelar Inc., un grupo de científicos sin fines de lucro dedicados al vuelo interestelar, el Proyecto Ícaro está trabajando para desarrollar una nave espacial que pueda viajar a una estrella cercana.

Philipp Reiss, que es el líder del proyecto del módulo de investigación “Mecanismos”, ofrece una introducción a los mecanismos de la nave espacial y su potencial aplicación en la nave Icarus.

Un “mecanismo” es un sistema de partes que está específicamente diseñado para convertir las fuerzas y el movimiento para un fin determinado. Sin ellos Ícaro no sería capaz de alcanzar las estrellas, Como la Santa María de Colón que no habría llegado a América sin su apoyo simple, pero fundamental.

Puede sonar obvio, ya que casi todas las máquinas se basan en algún tipo de mecanismo, pero su operación en el espacio, más concretamente, el espacio desconocido, es algo incierto. En un entorno compuesto por extremos cambios de temperatura, radiación y vibraciones, la exposición permanente al vacío del espacio y las diferentes fuerzas de aceleración, los mecanismos de las naves espaciales tienen que ser extremadamente robustas para sobrevivir a cualquier misión.

El ambiente del vacío, por ejemplo, es un problema para los mecanismos comunes, ya que cualquier dispositivo que contiene algún tipo de líquido o gas implica un alto riesgo de desgasificación, fuga o explosión.

Pero, ¿qué tipo de mecanismos necesita una nave espacial? Vamos a comenzar por tomar el ejemplo de arriba y mirando a los mecanismos que eran esenciales para Colón en su expedición.

Primero de todo: de la dirección. Mientras que un buque utiliza un gran tióm para controlar la dirección de su fuerza propulsora, en la nave espacial Ícaro sería necesario algún mecanismo para controlar la fuerza de empuje. Esto podría hacerse mediante el uso de sistemas de empuje vectorial, similar a los utilizados en aviones militares o cohetes.

Una manera de construir realmente dicho mecanismo es poner una placa móvil simple en la corriente de escape del motor que desviaría el flujo de gases en la dirección deseada. Otro método común es el montaje de un sistema para que el motor se pueda inclinar, con la ayuda de los actuadores hidráulicos o eléctricos. Uno puede imaginar que para que una nave interestelar que tiene el potencial de ser extremadamente pesada, esos mecanismos deben estar diseñados para ser grandes, robustos y, muy probablemente, con un gran consumo de energía.

 Por lo tanto, se requieren nuevos enfoques, que dependen del tipo de motor empleado para tal misión. Mientras que los sistemas hidráulicos son una buena solución en la Tierra, generalmente no suelen ser un buen añadido en las aplicaciones espaciales, debido a los riesgos antes mencionados que participan en el vacío circundante.

Como una alternativa existe el “empuje vectorial”, también podría ser impulsado por mecanismos eléctricos o magnéticos, sobre todo si la nave utiliza una propulsión eléctrica. La eyección de iones podría entonces ser manipulada para ejercer una fuerza electromagnética adicional sobre ellos.

Independientemente del mecanismo que este diseñado para generar ese empuje vectorial, este tendría que ser capaz de resistir las vibraciones permanentes, la radiación y las altas cargas térmicas, puesto que el motor es probable que este operativo durante una fracción muy alta de la misión.

 Otra cuestión relevante a considerar es los sistemas de comunicación de naves espaciales. En su tiempo, Colón tenía unas herramientas de comunicación muy limitadas, señales con banderas o las palomas mensajeras, que cubrían distancias muy pequeñas. Hoy en día usamos la radio y las comunicaciones por satélite, que cubren todo el planeta.

En su viaje por el espacio, la nave tiene que mantener un vínculo de comunicación con nuestro sistema solar, incluso si se trata de varios años luz de distancia. Existe un buen numero de ideas para poder lograr esta comunicación, pero cuando se trata de dispositivos de comunicación en sí, de nuevo, la robustez de estos mecanismos son un factor importante.

 El preciso señalar que un sistema de comunicación es de vital importancia para el éxito de mantener el enlace con la nave.

Teniendo en cuenta que tanto el transmisor como el receptor están en movimiento, las complejidades asociadas con los mecanismos de comunicación y la precisión necesaria son inmensas. Hoy en día ya existen este tipo de mecanismos y son muy precisos. Los rangos de exactitud obtenidos son de unas pocas fracciones de un grado para aplicaciones de radio de alta ganancia, los sistemas de enlaces entre satélites obtienen una precisión de micro-grados e incluso descienden al rango de nano-grados con instrumentos ópticos.

 Otra aplicación de estos mecanismos es probablemente más evidente: las estructuras desplegables y dispositivos conectables. Colón, en su barco, por ejemplo, contaba con mecanismos para el despliegue de las velas y para el lanzamiento del ancla.

La Ícaro necesita mecanismos para desplegar paneles solares o velas solares y también para la liberación o el acoplamiento de sondas planetarias u otras cargas.

Estructuras tales como las velas solares son grandes pero necesitan ser realizadas con una cantidad mínima de material y de peso. La investigación en este campo están buscando soluciones utilizando materiales compuestos reforzados o de las llamadas “estructuras sutiles”. Este último campo a menudo se implementa utilizando las estructuras inflables o rigidizables, sistemas ligeros y flexibles que se vuelven rígidos al desplegarlos. Este tipo de mecanismos son bastante nuevos y todavía tienen que ser investigados y sometidos a análisis adicionales. No obstante, Ícaro podría hacer uso de estos métodos para el despliegue de las estructuras más grandes, tales como una vela solar.

 Otro campo familiar es la eyección de cargas, que se logra mediante el uso de diferentes tipos de mecanismos de liberación. Hoy en día estos mecanismos se encuentran a menudo en los cohetes, como los dispositivos de separación de los tanques o en la Estación Espacial Internacional (ISS) como los mecanismos de acoplamiento de otras naves o módulos.

A diferencia de los mecanismos de separación más simples, los adaptadores de acoplamiento también proporcionan un intercambio de recursos entre los vehículos acoplados, tales como electricidad, gas y líquidos. Los mecanismos se utilizan una sola vez durante su vida que tienen otro riesgo: si un mecanismo de liberación se daña durante un viaje que duraría varias décadas, tal vez no sea capaz de extraer la sonda una vez llegue a la estrella de destino. El fracaso de este mecanismo por lo tanto, supone claramente un alto riesgo en el éxito científico de la misión.

Pero hay una solución para asegurar que estos mecanismos operen de manera fiable, a pesar de las condiciones ambientales: los dispositivos de reparación.

Podrían tratarse de brazos robóticos flexibles montados en la nave espacial, como los utilizados en la ISS. Si falla cualquier dispositivo de a bordo, estos brazos podrían ser utilizados para la inspección y reparación directamente en el sitio.

El desarrollo de estos brazos robóticos ha experimentado un progreso significativo durante los últimos años, y ofrece una interesante opción para la reparación a bordo. En la actualidad, estos brazos se utilizan para ayudar con las reparaciones en la ISS y, hasta hace poco, se han utilizado para la carga y descarga desde el transbordador espacial. El problema más difícil para su aplicación en Icarus seria diseñarlos para una función “todo uso” con adaptadores multifuncionales, pudiendo así cumplir con una gran variedad de tareas en la nave.

En esta “era de los ordenadores” las piezas mecánicas están continuamente siendo reemplazadas por los dispositivos de propulsión eléctrica. Puede parecer anticuado, pero una compleja maquinaria en movimiento no se puede construir sin el uso de algunos mecanismos mecánicos, incluidos los rodamientos, bisagras o palancas. Construir estos componentes con nuevos materiales y de manera que pueden soportar los estragos del espacio profundo, es un gran reto para Ícaro, ya que existen varios factores ambientales aún desconocidos.

La determinación de estos factores y la realización de un diseño redundante, es la única manera de cumplir con este requisito.

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