Materiales compuestos para nanosatélites mexicanos
Por Israel Pérez Valencia
Santiago de Querétaro, Querétaro. 18 de mayo de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- El Centro Nacional de Tecnologías Aeronáuticas (Centa) colabora con la Agencia Espacial Mexicana (AEM) en el desarrollo de materiales compuestos para el diseño de nanosatélites —o CubeSats— que, además de ser más livianos, ofrezcan una resistencia efectiva a las condiciones de radiación, mecánicas y de temperatura existentes en órbita.
El investigador del Centa a cargo del proyecto, que pertenece al programa de Cátedras del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), Mauricio Torres Arellano, explicó que esta vinculación se dio en el marco del plan de órbita de la AEM, en el cual se estipulan algunos puntos de desarrollo de tecnología espacial mexicana.
“Por nuestra formación como ingenieros aeronáuticos, una de las principales propuestas fue generar materiales para estos nanosatélites que puedan reemplazar las aleaciones de aluminio (Al), que es lo que actualmente se utiliza para su diseño”.
Indicó que dentro de las funciones que tendrán los nanosatélites, se incluye la fotografía en caso de desastres naturales, huracanes, contaminación y deforestación, así como telecomunicaciones, es decir, llevar Internet a comunidades de difícil acceso.
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“Muchas de estas fotografías que actualmente usa la AEM las adquiere del Sistema Meteorológico Nacional o satélites internacionales. Lo que busca la agencia es generar una constelación de pequeños satélites para este tipo de misiones. El estándar son CubeSats de 10 centímetros por lado. Respecto a las aleaciones de aluminio, estos materiales son mucho más livianos, estamos hablando de un ahorro de entre 30 o 40 por ciento menos en el peso”.
El ingeniero de proyecto del Centa, Saúl Ledesma Ledesma, afirmó que se enfocan, principalmente, en fibras de carbono (C), que son las más resistentes, con resinas epóxicas y nanopartículas que mejoran las propiedades del material compuesto en cuanto a temperatura y los rayos ultravioleta (UV). Las propiedades mecánicas son mucho mejores que las del aluminio.
“En la primera etapa se analizaron, desde un punto de vista fisicoquímico, las propiedades de los materiales y se estudiaron algunas partículas. Vamos a iniciar las partes de diseño. Las áreas del Centa que están colaborando son manufactura, mecánica de materiales, aerodinámica y simulación”.
El investigador de Cátedras Conacyt, Pedro González García, abundó que para este proyecto se seleccionó el óxido de zinc (ZnO), que es un protector de radiación ultravioleta que previene la degradación de la carcasa, así como el óxido de aluminio (Al2O3), que en dimensiones menores a 100 nanómetros, protege el nanosatélite de altas temperaturas.
“Algo que está usándose mucho actualmente son los nanomateriales, en ese sentido nosotros trabajamos con nanotubos de carbono y el grafeno, que se desarrollan mucho en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y que tienen propiedades muy parecidas al óxido de zinc; son ligeros, protegen contra la radiación y mejoran las propiedades mecánicas. Haciendo combinaciones de estos compuestos se obtiene un supermaterial fuerte, ligero y resistente a la temperatura”.
Materiales compuestos y modelos computacionales
El investigador de Cátedras Conacyt, Saúl Piedra González, puntualizó que en la primera etapa del proyecto se llevó a cabo la caracterización de materiales, además de que se está reproduciendo la estructura del nanosatélite en un modelo computacional para observar su comportamiento en las condiciones en que operará desde su lanzamiento, como la estática, dinámica, vibraciones y estabilidad térmica.
“Una cuestión muy importante es el choque térmico al que se somete el nanosatélite, la carga útil —que son tarjetas electrónicas que también se elaboran de materiales compuestos y donde están embebidos los componentes que generan calor—, además de la temperatura exterior, que es muy baja en la subórbita. La conexión de los componentes electrónicos está sometida a la dilatación y contracción del material, por lo que es importante considerar la carga de vibración y la térmica, que nos garantice la vida útil definida de estos componentes. Estos satélites viajan órbitas bajas, es decir, de 200 a mil kilómetros”.
El doctor Mauricio Torres Arellano informó que en este proyecto colaboran cinco investigadores de Cátedras Conacyt, cuatro ingenieros de proyecto y estudiantes de la licenciatura en nanotecnología y la maestría en ciencia y tecnología en diseño y desarrollo de sistemas mecánicos, además de una colaboración internacional, a través de un estudiante de la Universidad de Clermont Auvergne, Francia.
“En este proyecto participa además la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica del Instituto Politécnico Nacional (IPN), ellos tienen un laboratorio especializado en integración electrónica y vibraciones de satélites. La Universidad Aeronáutica en Querétaro (Unaq) trabaja la parte de vibraciones mecánicas, y para las radiaciones ultravioleta y gamma estamos con el Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo (CIAD), porque las cámaras de degradación UV que ellos manejan son las más potentes del país y son capaces de replicar la radiación a la que está sometido un nanosatélite”.
El investigador de Cátedras Conacyt, Saúl Piedra González, anunció que, como proyecto paralelo, el Centa incurrirá en el diseño de cohetes lanzadores de estos nanosatélites, utilizando también materiales compuestos para su fabricación.
“Tenemos el interés de trabajar en lo que es el diseño de vehículos y componentes aeroespaciales; una de las inquietudes de la AEM es dónde se van a lanzar estos satélites, porque actualmente se apoyan en agencias internacionales que incluyen los nanosatélites como carga secundaria, por lo que ya se comienza a trabajar en nanolanzadores especializados. Dentro del plan de órbita está, a mediano plazo, tener un cohete lanzador”.
Indicó que dada la experiencia que el Centa tiene en la parte de diseño computacional, la propuesta comprende la conceptualización, número de etapas, propulsión, análisis computacional de la aerodinámica de vuelo y el análisis estructural a través de materiales compuestos para aligerar el peso del cohete y abaratar su costo.
El Centa es un consorcio Conacyt integrado por el Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi) —que es la institución incubadora—, el Centro de Tecnología Avanzada (Ciateq), el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (Cideteq), la Corporación Mexicana de Investigación en Materiales (Comimsa), el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), el Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas (Ciatec), el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (Cimav) y el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE).
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