Demostrador de tecnología Pathfinder

El proyecto Pathfinder Technology Demonstrator ( PTD ) de la NASA consiste en una serie de demostraciones tecnológicas a bordo de nanosatélites conocidos como CubeSats , que ofrecen mejoras significativas en el rendimiento de estas versátiles naves espaciales. Cada una de las cinco misiones PTD planificadas consta de un CubeSat de 6 unidades (6U) con paneles solares expandibles. ^{[ 3 ]}

Se espera que la calificación en vuelo y la demostración de estas tecnologías a bordo de las misiones PTD beneficien a futuras misiones gubernamentales y comerciales. Estas incluyen sistemas de propulsión y subsistemas que estabilizan y orientan la nave espacial con gran precisión para utilizar un sistema de comunicaciones láser capaz de transmitir banda ancha de alta velocidad.

La primera misión, PTD-1, estaba programada para su lanzamiento en diciembre de 2020 en un cohete Falcon 9 , desde Cabo Cañaveral, como parte de la misión compartida ELaNa 35, ^{[ 4 ]} lanzada el 24 de enero de 2021, y demostró el sistema de propulsión a base de agua HYDROS-C. PTD-3 se lanzó el 25 de mayo de 2022 en el transporte compartido SpaceX Transporter-5 y demostró el sistema de comunicación infrarroja TBIRD. ^{[ 5 ]}

El proyecto Pathfinder Technology Demonstrator (PTD) está dirigido por el Centro de Investigación Ames de la NASA en California , en colaboración con el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Ohio . El proyecto PTD es gestionado y financiado por el Programa de Tecnología de Naves Espaciales Pequeñas (SSTP) de la NASA, dentro de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial. El objetivo general es probar la física de nuevas tecnologías clave para mejorar las naves espaciales pequeñas y hacerlas capaces de alcanzar nuevos destinos y operar en nuevos entornos. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Estas tecnologías se probarán en órbita terrestre baja para su posible aplicación futura en naves espaciales pequeñas que operen en órbita terrestre o en el espacio profundo. ^{[ 7 ]} Las tecnologías demostradas por los vuelos PTD pueden ser aplicables y escalables a naves espaciales más grandes. ^{[ 7 ]}

El proyecto planea realizar cinco misiones orbitales CubeSat 6U, codificadas como PTD-1 a PTD-5, con intervalos de 6 meses, evaluando en cada vuelo diferentes tecnologías. ^{[ 8 ]} Cada misión tendrá una vida útil de 90 días después de su lanzamiento en órbita terrestre baja . ^{[ 6 ]} Cada nave espacial incluirá diferentes cargas útiles de prueba, como sistemas de propulsión para el mantenimiento de la estación orbital, maniobras y tránsito interplanetario, comunicaciones láser de alto ancho de banda o sistemas de control de actitud (orientación) de alta precisión para estabilizar la nave espacial y apuntar los instrumentos designados con alta precisión. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Algunos ejemplos de sistemas novedosos que se probarán son un propulsor de electrospray , propulsión basada en agua y un sistema de control de actitud muy preciso . ^{[ 6 ]}

• BET-100 μN es un propulsor coloidal fabricado por Busek que voló con éxito en la misión LISA Pathfinder de la ESA en 2016. ^{[ 9 ]} Cada propulsor requiere menos de 6 vatios de potencia.

• El sistema de determinación y control de actitud (ADCS) utiliza el Hyper-XACT ADCS de Blue Canyon. El paquete incorpora un rastreador de estrellas , de 3 a 4 ruedas de reacción , tres barras de torsión , un magnetómetro , una unidad de medición inercial y hasta cuatro sensores solares .

• HYDROS es una tecnología híbrida química/eléctrica que proporciona propulsión mediante agua. Utiliza una celda de electrólisis para separar el agua como propulsor en hidrógeno y oxígeno gaseosos, que se almacenan a presión en tanques separados para su combustión en una tobera propulsora. Este sistema de propulsión está siendo desarrollado por Tethers Unlimited, Inc.

• El motor MPS-130 de Aerojet Rocketdyne quema un propulsor líquido iónico _{novedoso llamado} nitrato de hidroxilamonio ( NH₃OHNO₃ ₎ . Es una mezcla de combustible/oxidante también conocida como AF-M315E que es aproximadamente un 50 % más eficiente que la hidracina tradicional y no es tóxica. ^{[ 6 ]} Aerojet Rocketdyne probó este motor y combustible en una misión llamada Green Propellant Infusion Mission , ^{[ 10 ]} lanzada a bordo de un cohete SpaceX Falcon Heavy el 25 de junio de 2019, en una misión de prueba llamada Space Test Program 2 .

• El proyecto PTD también evaluará la red de comunicaciones comerciales Globalstar para comunicaciones espaciales de bajo costo para el envío de comandos a naves espaciales en órbita terrestre baja. Cada una de las cinco naves espaciales planificadas incorporará un módem dúplex Globalstar GSP-1720. ^{[ 7 ] [ 11 ]}

El 12 de febrero de 2016 se emitió la Solicitud de Propuestas (RFP) NNA16574335R para el suministro de una nave espacial CubeSat 6U calificada para vuelos espaciales , que sería operada por la NASA para su Proyecto Demostrador Tecnológico Pathfinder (PTD) para albergar subsistemas tecnológicos , en adelante denominados carga útil. Se planificó una demostración de vuelo para un sistema de propulsión de bajo empuje, con opciones para cuatro demostraciones tecnológicas posteriores. Las misiones posteriores podrían incluir cargas útiles como sistemas de propulsión de mayor empuje o cargas útiles como comunicaciones ópticas o sistemas de control y determinación de actitud de alta precisión. Fecha límite para la respuesta a la solicitud de propuestas: 4 de abril de 2016. ^{[ 6 ]}

La nave espacial PTD-1 se encuentra actualmente en fase de desarrollo y fabricación. Demostrará un sistema de propulsión con un propulsor a base de agua obtenido mediante electrólisis . En órbita, el sistema separa el agua a bordo en hidrógeno y oxígeno mediante la aplicación de una corriente eléctrica. El lanzamiento de PTD-1 está programado para diciembre de 2020 como parte de la misión ELaNa 35, que se compartirá con otra nave espacial, a bordo de un cohete Falcon 9. ^{[ 4 ]}

El PTD-1 fue lanzado el 24 de enero de 2021 en la misión Transporter-1 de SpaceX, un servicio de transporte compartido .

Prueba de propulsión HYDROS

HYDROS es una tecnología híbrida química/eléctrica que proporciona propulsión mediante agua. Utiliza una celda de electrólisis para separar el agua como propulsor en hidrógeno y oxígeno gaseosos, que se almacenan a presión en tanques separados. El sistema quema la mezcla de hidrógeno y oxígeno en una sencilla tobera propulsora para generar hasta 1 Newton y un impulso específico de 258 segundos. Este sistema de propulsión está siendo desarrollado por Tethers Unlimited, Inc.

En agua pura, en el cátodo cargado negativamente, tiene lugar una reacción de reducción , en la que los electrones (e ⁻ ) del cátodo se ceden a los cationes de hidrógeno para formar gas hidrógeno. La semirreacción , balanceada con ácido, es:

Reducción en el cátodo: 2 H ⁺ ( solución acuosa ) + 2e ⁻ → H ₂ ( gas )

En el ánodo, que tiene carga positiva, se produce una reacción de oxidación que genera oxígeno gaseoso y cede electrones al ánodo para completar el circuito:

Oxidación en el ánodo: 2 _H₂O ( líquido ) → O₂ ₍ gas ) + 4 H⁺ ⁽ solución acuosa ) + ^4e⁻

Reacción global: 2 H₂O ₍ líquido ) → 2 H₂ ₍ gas ) + _O₂ ( gas )

El sistema de propulsión utiliza la electricidad generada por los paneles solares para alimentar el sistema de electrólisis de agua en miniatura. La demostración pondrá a prueba el rendimiento de la propulsión mediante cambios programados en la velocidad y la altitud de la nave espacial.

PTD-2 es una misión de demostración tecnológica de CubeSat 6U para demostrar un sistema mejorado de determinación y control de actitud desarrollado en el marco del Programa Tipping Point . El diseño HyperXACT proporcionará una mejora de 5 veces en fiabilidad y apuntamiento con respecto a muchos sistemas de última generación, manteniendo el factor de forma de 1/2 U. ^{[ 12 ]}

El PTD-2 también era la plataforma prevista para una demostración de la NASA del módem de comunicaciones por satélite GLOBALSTAR.

El proyecto PTD-2 se interrumpió tras un percance ocurrido durante la integración y las pruebas del vehículo espacial.

Finalmente, fue reemplazado por el PTD-2R, también conocido como PTD-R. El PTD-R fue lanzado el 16 de agosto de 2024 a bordo del transportador 11 de SpaceX, con la carga útil "Deep Purple", desarrollada por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Deep Purple es una demostración tecnológica de un par de telescopios UV/SWIR alineados.

Sitio web del programa PTD de la NASA : https://www.nasa.gov/smallspacecraft/pathfinder-technology-demonstrator/

PTD-3, un cubesat 6U, lanzado el 25 de mayo de 2022 en la misión compartida Transporter-5 de SpaceX , incluye la prueba de comunicaciones láser 3U TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) . ^{[ 13 ] [ 14 ]} TBIRD enviará datos a 200 Gbps desde LEO a estaciones terrestres. ^{[ 15 ]} Para diciembre de 2022, TBIRD demostró transferencias de datos de 100 Gbps desde una órbita de 300 millas a la Tierra, y planea probar 200-1000 Gbps. ^{[ 16 ]} El 28 de abril de 2023, se logró un rendimiento de 200 gigabits por segundo (Gbps). ^{[ 17 ]}

Un cubesat 6U para demostrar el Lightweight Integrated Solar Array and anTenna ( LISA-T ), un panel solar desplegable de muy alta potencia y bajo volumen con una antena integrada. LISA-T está siendo desarrollado por el Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama. LISA-T ofrece menor masa y volumen almacenado, así como una mayor potencia por unidad de masa en comparación con la tecnología de paneles solares disponible actualmente. A diciembre de 2023, no hay fecha de lanzamiento establecida. El nanosatélite fue lanzado junto con PTD-R en la misión Transporter-11 de SpaceX desde la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg . ^{[ 18 ] [ 3 ] [ 19 ]} Transporter-11 se lanzó en agosto de 2024.

Un nanosatélite 6U para demostrar por primera vez la detección óptica simultánea en ultravioleta e infrarrojo de onda corta desde el espacio mediante dos telescopios monolíticos de 85 mm de apertura montados uno al lado del otro, utilizando un nuevo módulo electrónico compacto personalizado y una novedosa carcasa óptica y radiador ligeros de material compuesto de carbono. Fue lanzado el 16 de agosto de 2024 como parte de la misión Transporter-11 de SpaceX desde la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg . ^{[ 20 ]}

• Exploradores Cislunares , otra nave espacial que utiliza la electrólisis del agua para generar propulsor.
• World Is Not Enough , un sistema de propulsión para naves espaciales que utiliza agua recolectada in situ.

• Vídeo de la NASA sobre el PTD-1 en YouTube