cable espacial

Un satélite de amarre es un satélite conectado a otro mediante un cable espacial. Se han lanzado varios satélites para probar tecnologías de amarre, con resultados diversos.

Los cables de intercambio de momento son una de las muchas aplicaciones de los cables espaciales. Existen dos tipos: giratorios y no giratorios. Un cable giratorio genera una fuerza controlada sobre las masas de los extremos del sistema debido a la aceleración centrífuga. Mientras el sistema gira, los objetos en ambos extremos experimentan una aceleración continua; la magnitud de esta aceleración depende de la longitud del cable y de la velocidad de rotación. El intercambio de momento se produce cuando se libera un cuerpo durante la rotación. La transferencia de momento al objeto liberado provoca que el cable giratorio pierda energía y, por lo tanto, velocidad y altitud. Sin embargo, mediante el empuje electrodinámico del cable o la propulsión iónica, el sistema puede recuperar impulso con poco o ningún consumo de masa de reacción.

Un skyhook es una clase teórica de propulsión por cable orbital destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 1 ] [ 16 ] [ 17 ]} Las propuestas para skyhooks incluyen diseños que emplean cables que giran a velocidad hipersónica para capturar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. ^{[ 18 ]}

Los cables electrodinámicos son largos conductores, como los que se despliegan desde un satélite de amarre, que pueden funcionar según principios electromagnéticos como generadores , convirtiendo su energía cinética en energía eléctrica , o como motores , convirtiendo energía eléctrica en energía cinética. ^{[ 1 ]} El potencial eléctrico se genera a través de un cable conductor por su movimiento a través del campo magnético terrestre. La elección del conductor metálico que se utilizará en un cable electrodinámico está determinada por diversos factores. Los factores primarios suelen incluir una alta conductividad eléctrica y una baja densidad . Los factores secundarios, según la aplicación, incluyen el costo, la resistencia y el punto de fusión.

En el documental Huérfanos de Apolo se presentó un cable electrodinámico como la tecnología que se utilizaría para mantener en órbita la estación espacial rusa Mir . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Se trata del uso de un cable (generalmente) no conductor para conectar varias naves espaciales. El experimento Tethered Experiment for Mars inter-Planetary Operations (TEMPO³) es un proyecto propuesto en 2011 para estudiar esta técnica.

Un tipo teórico de sistema de satélite atado no giratorio, es un concepto para proporcionar soporte espacial a objetos suspendidos sobre un objeto astronómico. ^{[ 21 ]} El sistema orbital es un sistema de masas acopladas en el que la masa de soporte superior (A) se coloca en una órbita alrededor de un cuerpo celeste dado de tal manera que puede soportar una masa suspendida (B) a una altura específica sobre la superficie del cuerpo celeste, pero más baja que (A).

En lugar de girar de un extremo a otro, las cuerdas también pueden mantenerse rectas gracias a la ligera diferencia en la fuerza de la gravedad a lo largo de su longitud.

Un sistema de cable no giratorio tiene una orientación estable alineada con la vertical local (de la Tierra u otro cuerpo). Esto se puede comprender al observar la figura de la derecha, donde dos naves espaciales a diferentes altitudes están conectadas por un cable. Normalmente, cada nave espacial tendría un equilibrio entre las fuerzas gravitatorias (p. ej., F _g1 ) y centrífugas (p. ej. , F _c1 ), pero al estar unidas por un cable, estos valores comienzan a variar entre sí. Este fenómeno ocurre porque, sin el cable, la masa a mayor altitud se desplazaría más lentamente que la masa a menor altitud. El sistema debe moverse a una velocidad constante, por lo que el cable debe, por lo tanto, ralentizar la masa inferior y acelerar la superior. La fuerza centrífuga del cuerpo superior unido por el cable aumenta, mientras que la del cuerpo a menor altitud disminuye. Esto da como resultado que la fuerza centrífuga del cuerpo superior y la fuerza gravitatoria del cuerpo inferior sean dominantes. Esta diferencia de fuerzas alinea naturalmente el sistema con la vertical local, como se observa en la figura. ^{[ 1 ]}

Los objetos en órbita terrestre baja están sujetos a una erosión notable por el oxígeno atómico debido a la alta velocidad orbital con la que impactan las moléculas, así como a su alta reactividad. Esto podría erosionar rápidamente un cable. ^{[ 22 ]}

Los simples cables de una sola hebra son susceptibles a los micrometeoritos y la basura espacial . Desde entonces, se han propuesto y probado varios sistemas para mejorar la resistencia a los desechos:

• El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos ha logrado volar con éxito un cable de 6 kilómetros (3,7 millas) de longitud y entre 2 y 3 milímetros (0,079 y 0,118 pulgadas) de diámetro, con una capa exterior de trenza Spectra 1000 y un núcleo de hilo acrílico. ^{[ 23 ]} Este satélite, el Experimento de Física y Supervivencia de Cables (TiPS), fue lanzado en junio de 1996 y permaneció en funcionamiento durante más de 10 años, rompiéndose finalmente en julio de 2006. ^{[ 24 ]}  
• Robert P. Hoyt patentó una red circular diseñada para que las tensiones de un hilo cortado se redistribuyeran automáticamente alrededor del mismo. Esto se conoce como Hoytether . Los Hoytethers tienen una vida útil teórica de décadas.
• Los investigadores de JAXA también han propuesto cables basados ​​en redes para sus futuras misiones. ^{[ 25 ]}

Grandes fragmentos de basura espacial seguirían cortando la mayoría de los cables de sujeción, incluidas las versiones mejoradas que se mencionan aquí, pero estos ya se rastrean mediante radar y tienen órbitas predecibles. Si bien se podrían usar propulsores para modificar la órbita del sistema, también se podría ajustar temporalmente el cable de sujeción en el lugar preciso, consumiendo menos energía, para esquivar fragmentos de basura espacial conocidos.

La radiación, incluida la radiación ultravioleta, tiende a degradar los materiales de los cables de amarre y a reducir su vida útil. Los cables que atraviesan repetidamente los cinturones de Van Allen pueden tener una vida útil considerablemente menor que aquellos que permanecen en órbita terrestre baja o fuera de la magnetosfera terrestre.

Las propiedades y los materiales de los cables de amarre dependen de la aplicación. Sin embargo, existen algunas propiedades comunes. Para lograr el máximo rendimiento y un bajo costo, los cables deben estar fabricados con materiales que combinen alta resistencia o conductividad eléctrica y baja densidad. Todos los cables espaciales son susceptibles a los desechos espaciales o micrometeoroides. Por lo tanto, los diseñadores de sistemas deberán decidir si se necesita o no un recubrimiento protector, incluso contra la radiación UV y el oxígeno atómico .

Para aplicaciones que ejercen altas fuerzas de tracción sobre el cable, los materiales deben ser resistentes y ligeros. Algunos diseños actuales de cables utilizan plásticos cristalinos como polietileno de ultra alto peso molecular , aramida o fibra de carbono . Un posible material futuro serían los nanotubos de carbono , que tienen una resistencia a la tracción estimada entre 140 y 177 GPa (20,3 y 25,7 millones de psi; 1,38 y 1,75 millones de atm) y una resistencia a la tracción comprobada en el rango de 50 a 60 GPa (7,3 a 8,7 millones de psi; 490 000 a 590 000 atm) para algunos nanotubos individuales. ( Otros materiales alcanzan de 10 a 20 GPa (1,5 a 2,9 millones de psi; 99 000 a 197 000 atm) en algunas muestras a nanoescala, pero trasladar tales resistencias a la macroescala ha sido un desafío hasta ahora, y, a fecha de 2011, las cuerdas basadas en CNT eran un orden de magnitud menos resistentes, y aún no eran más resistentes que la fibra de carbono más convencional a esa escala). ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}             

Para algunas aplicaciones, se proyecta que la fuerza de tracción en el cable sea menor a 65 newtons (15 lbf) . ^{[ 29 ]} La selección del material en este caso depende del propósito de la misión y las restricciones de diseño. Los cables electrodinámicos, como el utilizado en TSS-1R, pueden usar cables de cobre delgados para alta conductividad (ver EDT ). 

Existen ecuaciones de diseño para ciertas aplicaciones que pueden utilizarse para ayudar a los diseñadores a identificar las cantidades típicas que determinan la selección de materiales.

Las ecuaciones de los ascensores espaciales suelen utilizar una "longitud característica", L _c , también conocida como su "longitud de autoportancia", que es la longitud de cable sin conicidad que puede soportar en un campo gravitatorio constante de 1 g .

${\displaystyle L_{c}={\frac {\sigma }{\rho g}}}$,

donde σ es el límite de tensión (en unidades de presión) y ρ es la densidad del material.

Las ecuaciones del gancho hipersónico utilizan la "velocidad específica" del material, que es igual a la velocidad tangencial máxima que puede alcanzar un aro giratorio sin romperse:

${\displaystyle V={\sqrt {\frac {\sigma }{\rho }}}}$

Para los cables giratorios (rotovadores), el valor utilizado es la "velocidad característica" del material, que es la velocidad máxima en la punta que puede alcanzar un cable giratorio no cónico sin romperse.

${\displaystyle V_{c}={\sqrt {\frac {2\sigma }{\rho }}}}$

La velocidad característica es igual a la velocidad específica multiplicada por la raíz cuadrada de dos.

Estos valores se utilizan en ecuaciones similares a la ecuación del cohete y son análogos al impulso específico o a la velocidad de escape. Cuanto mayores sean estos valores, más eficiente y ligero podrá ser el cable en relación con las cargas útiles que puede transportar. Sin embargo, con el tiempo, la masa del sistema de propulsión del cable estará limitada en su extremo inferior por otros factores, como el almacenamiento de momento.

Los materiales propuestos incluyen Kevlar , polietileno de ultra alto peso molecular , nanotubos de carbono y fibra M5 . M5 es una fibra sintética más ligera que Kevlar o Spectra. ^{[ 30 ]} Según Pearson, Levin, Oldson y Wykes en su artículo "El ascensor espacial lunar", una cinta de M5 de 30 mm (1,2 pulg.) de ancho y 0,023 mm (0,91 mils) de espesor, podría soportar 2000 kg (4400 lb) en la superficie lunar . También podría contener 100 vehículos de carga, cada uno con una masa de 580 kg (1280 lb) , espaciados uniformemente a lo largo del ascensor. ^{[ 5 ]} Otros materiales que podrían usarse son la fibra de carbono T1000G, Spectra 2000 o Zylon. ^{[ 31 ]}       

Además, el cable debe estar diseñado para resistir micrometeoritos y basura espacial . Esto se puede lograr mediante el uso de cables redundantes, como el Hoytether ; la redundancia garantiza que sea muy improbable que varios cables redundantes se dañen cerca del mismo punto, por lo que puede producirse un daño total considerable en diferentes partes del cable antes de que falle.

Actualmente, los sistemas de elevación y los rotocultivadores están limitados por la resistencia de los materiales disponibles. Si bien las fibras plásticas de ultra alta resistencia ( Kevlar y Spectra ) permiten a los rotocultivadores extraer masas de la superficie de la Luna y Marte, un rotocultivador fabricado con estos materiales no puede elevarse de la superficie de la Tierra. En teoría, aeronaves supersónicas (o hipersónicas ) de gran altitud podrían entregar una carga útil a un rotocultivador que descendiera brevemente a la atmósfera superior de la Tierra en ubicaciones predecibles a lo largo de la zona tropical (y templada) del planeta. A mayo de 2013, todos los sistemas de sujeción mecánica (orbitales y elevadores) están suspendidos hasta que se disponga de materiales más resistentes. ^{[ 35 ]}

La captura de carga para rotocultivadores no es trivial, y un fallo en la captura puede causar problemas. Se han propuesto varios sistemas, como el lanzamiento de redes hacia la carga, pero todos añaden peso, complejidad y otro modo de fallo. Sin embargo, se ha logrado al menos una demostración a escala de laboratorio de un sistema de agarre funcional. ^{[ 36 ]}

Actualmente, los materiales más resistentes a la tensión son los plásticos, que requieren un recubrimiento para protegerlos de la radiación UV y (según la órbita) de la erosión causada por el oxígeno atómico. La eliminación del calor residual es difícil en el vacío , por lo que el sobrecalentamiento puede provocar fallos o daños en los cables de sujeción.

Los cables electrodinámicos desplegados verticalmente (cables colgantes) pueden sufrir inestabilidad dinámica. El movimiento pendular provoca un aumento en la amplitud de la vibración del cable debido a la interacción electromagnética. A medida que aumenta el tiempo de la misión, este comportamiento puede comprometer el rendimiento del sistema. En pocas semanas, los cables electrodinámicos en órbita terrestre podrían acumular vibraciones en diversos modos, debido a la interacción de su órbita con las irregularidades de los campos magnéticos y gravitatorios.

Una estrategia para controlar las vibraciones consiste en variar activamente la corriente del cable para contrarrestar su aumento. Los cables electrodinámicos pueden estabilizarse reduciendo su corriente cuando esta alimenta las oscilaciones y aumentándola cuando las contrarresta. Las simulaciones han demostrado que este método permite controlar la vibración del cable. Este enfoque requiere sensores para medir las vibraciones, que pueden ser un sistema de navegación inercial en un extremo del cable o sistemas de navegación por satélite instalados en el cable, que transmiten su posición a un receptor en el otro extremo.

Otro método propuesto consiste en utilizar cables electrodinámicos giratorios en lugar de cables colgantes. El efecto giroscópico proporciona estabilización pasiva, evitando la inestabilidad.

Como se mencionó anteriormente, los cables conductores han fallado debido a sobretensiones inesperadas. Las descargas electrostáticas imprevistas han cortado los cables (por ejemplo, en el caso del reenvío del Sistema de Satélites Atados (TSS-1R) en la misión STS-75 ), dañado componentes electrónicos y soldado la maquinaria de manipulación de los cables. Es posible que el campo magnético terrestre no sea tan homogéneo como algunos ingenieros creían.

Los modelos informáticos muestran con frecuencia que los cables pueden romperse debido a las vibraciones.

Los equipos mecánicos para el manejo de cables suelen ser sorprendentemente pesados ​​y cuentan con controles complejos para amortiguar las vibraciones. El trepador de una tonelada propuesto por Brad Edwards para su ascensor espacial puede detectar y suprimir la mayoría de las vibraciones modificando su velocidad y dirección. Además, puede reparar o reforzar un cable añadiendo más hebras.

Los modos de vibración que pueden ser problemáticos incluyen la vibración de la cuerda de saltar, transversal, longitudinal y pendular. ^{[ 37 ]}

Las correas casi siempre tienen forma cónica, lo que puede amplificar enormemente el movimiento en el extremo más delgado, de forma similar a un látigo.

Un cable no es un objeto esférico y tiene una extensión considerable. Esto significa que, como objeto extenso, no se puede modelar directamente como una fuente puntual, y por lo tanto, el centro de masa y el centro de gravedad no suelen coincidir. En consecuencia, la ley del inverso del cuadrado no se aplica, salvo a grandes distancias, al comportamiento general de un cable. Por lo tanto, las órbitas no son completamente keplerianas y, en algunos casos, son incluso caóticas. ^{[ 38 ]}

En los diseños de bolo , la rotación del cable, al interactuar con los campos gravitatorios no lineales propios de las órbitas elípticas, puede provocar un intercambio de momento angular orbital y momento angular de rotación. Esto puede hacer que la predicción y la modelización sean extremadamente complejas.

• ProSEDS, un experimento de propulsión basado en cables.
• Grupo de Proyectos Especiales
• Descripción general del cable de la NASA
• Tethers Unlimited Incorporated
• "Manual de amarres en el espacio" ML Cosmo y EC Lorenzini, 3.ª ed., diciembre de 1997. Archivado el 6 de octubre de 2007 en Wayback Machine.
• Informe del IAC de la NASA sobre sistemas orbitales
• SpaceTethers.com, applet de simulador de cable espacial
• Radio Pública Nacional de EE. UU. – Cables espaciales: ¿Suspensión de objetos en órbita?
• ESA – El proyecto YES2
• ESA – Estudiantes prueban un "servicio postal espacial" durante la misión Foton.
• El Show del Espacio #531 Robert P. Hoyt habla sobre los cables espaciales en el Show del Espacio
• Sitio web de la NASA sobre TSS-1R
• Origami de cuerda de la NASA
• Artículo de New Scientist
• Experimento sobre física y supervivencia de cables de sujeción. Archivado el 18 de julio de 2011 en Wayback Machine.
• Tethers Unlimited • Publicaciones archivadas el 10/11/2006 en Wayback Machine
• Manual de amarres en el espacio (PDF)
• Cables en el espacio, una demostración de propulsión en órbita sin combustible ISBN 978-90-8891-282-5

• Vídeo de animación que explica cómo podría funcionar un cable de sujeción.