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(La primera parte de este artículo está aquí)

2. EL DISCRETO ENCANTO DE LOS MOTORES SUTILES

¡Hasta aquí con los propergoles!, dice ARSAT, ahora que resucitó. En la oficialmente extinta plataforma 3K, los combustibles líquidos de encendido espontáneo formaban algo más del 56% del peso total del satélite. Ahora, con propulsión totalmente eléctrica basada en motores “de efecto Hall”, 1673 kg. de metilhidracina y tetróxido de nitrógeno se reemplazarán por 200 kg. de xenón, un gas noble.

¿Por qué este gas se llama “noble”? Por químicamente ortiva. Tiene saturados los “orbitales de valencia”, poca afinidad por electrones ajenos y poca propensión a perder los propios. En circunstancias normales, es reacio a combinarse químicamente con ningún otro elemento de la tabla de Mendeleiev, y por ende, está casi siempre en estado monoatómico. Su primera virtud como combustible, entonces, es que no corroe sus tanques ni resulta peligroso para la nave.

¿Y por qué expeler xenón, en lugar de sus primos del grupo 18 de la tabla? Son el helio, el neon, el argón y el kriptón, todos igualmente nobles. Se prefiere el xenón porque tiene una masa muy alta, casi 33 veces mayor que la del helio. De modo que, con la autoridad que confiere Isaac Newton, afirmo que si uno, como acción, dispara xenón hacia la derecha, habrá mayor reacción hacia la izquierda. Y viceversa.

¿Y cómo se disparan átomos de xenón? Es complicado: requiere de ionizarlos, acelerarlos con interacciones de dos campos eléctricos explicados aquí, y expelerlos como un chorro de plasma de muy baja densidad pero altísima velocidad. ¿Tanta? Sí, de 20 a 30 veces la de los gases que vomita, portentosos, cualquier cohete químico.

No hay combustión en un satélite “full eléctrico”. La electricidad para ionizar y expeler xenón la dan las baterías, recargadas por placas fotovoltaicas. Estos paneles son también la única fuente de potencia del resto de los sistemas del satélite. Y así, por reacción contra este sutilísimo vientecito de xenón generado a popa, un satélite avanza en el sentido contrario, hacia proa.

Estos motores eléctricos “de efecto Hall” generan muy poca aceleración, comparados con los fogosos y espectaculares cohetes con combustibles químicos. Estos son (pido ayuda a la hidráulica) “de gran caudal”. No es buena idea pararse detrás de uno de ellos cuando se dispara, y no sólo por la temperatura. En cambio los eléctricos expelen poquísimas unidades de masa por segundo. Uno puede pararse metros detrás sin despeinarse, si soporta el vacío. En plan hidráulico, uno los llamaría de bajísimo caudal.

Por ello, no dan ni a palos para un despegue directo desde Tierra. Pero otra cosa es usarlos cuando ya se está en órbita: aunque ejercen fuerzas  muy bajas, lo pueden hacer de un modo persistente. Y eso en un ambiente, como el orbital, donde no hay resistencia aerodinámica y la gravedad terrestre es “micro”, permite alcanzar velocidades muy altas, sin otro límite que el stock de gas.

Ahora, ¿cómo es que 200 kg. de xenón permitirán que el ARSAT 3 dure 15 años en operaciones? ¿No es como mucho pedir?

Ya es demasiado pedir que un motor de apogeo convencional suba a un satélite del tamaño de una 4×4, en sucesivos giros al ecuador, desde una órbita de transferencia muy elíptica hasta una perfectamente circular y geoestacionaria. Aquí le mostramos en qué consiste esa maniobra con un motor químico convencional, como los de los ARSAT 1 y 2.

Pueden verlo (en una animación) cliqueando aquí: en.wikipedia.org/wiki/Geostationary_transfer_orbit#/media/File:Animation_of_EchoStar_XVII_trajectory.gif

La órbita de transferencia de los ARSAT 1 y 2 tuvieron su “kilómetro cero” allí donde el satélite se apeó del cohete lanzador. Lo hicieron a baja altura (300 km) pero con muchísima energía. Ese lugar de separación lanzador-satélite fue el perigeo (lugar más cercano a la Tierra) de la primera de 14 órbitas, cuyo apogeo (el lugar más lejano) anduvo clavado siempre en los 35.786 km. de altura.

Con sucesivos disparos de su motor de apogeo durante los descensos, el satélite gana energía y va logrando perigeos cada vez más altos. Algunos disparos pueden durar más de una hora, otros apenas segundos, pero en esta parte más bien emocionante de la menesunda, llamada LEOP (Low Earth Orbit Phase), el plan es imprimirle al satélite 1500 metros por segundo de velocidad adicional hasta llegar a una órbita totalmente circular, geoestacionaria propiamente dicha, de 35.786 kilómetros de altura, y eso en sólo 5 maniobras y dentro de las primeras 14 órbitas.

Con su velocidad lineal reducida a 3,08 km/s el satélite termina estacionando en su altísimo sitio de destino, donde gira a la misma velocidad angular que la Tierra. A partir de entonces, con el remanente de propelentes y más de una docena de “thrusters” (micromotores apuntados en otras direcciones), hay que mantener el satélite en su altura, posición y actitud de trabajo durante su vida útil. Son 15 laboriosos años de “stationkeeping”: 100 instrucciones correctivas anuales, cada una no menor de 16.000 líneas de código.

Ya cuesta creer que semejante trepada sea posible con propergoles líquidos. Fue con un motor cohete de lo más convencional y apenas 40 kg. de empuje que el ARSAT 1 ascendió desde su órbita de transferencia a su “slot orbital”. Allí sigue hoy, fijo como una estación retransmisora, con  ocasionales disparos de 16 “thrusters”. Estos tienen apenas 1 kg. de empuje.

Girando a la misma velocidad angular que la Tierra, el ARSAT 1 está como clavado a 35.786 km sobre un punto fijo cuya vertical cae en la selva colombiana, longitud 71,8 Oeste. Fue un viaje épico de 400.000 km, 14 órbitas y 10 días de duración. El cohete de apogeo se disparó ahorrativamente, y aún así la maniobra se comió el 76% del combustible.

Ese ascenso es la fase más peligrosa de la vida de cualquier GEO. Si en un mal LEOP se gasta combustible de más, se pierden años y años de “stationkeeping”. Un satélite dura lo que sus combustibles. Después, entra a derivar a tumbos, y es chatarra.

Dicho sea de paso, el ascenso hasta su sitio orbital del ARSAT 1 fue modélico: se gastaron menos propelentes que los esperables, y no es imposible que el satélite llegue operativo a 2030, en lugar de a 2029.  Aplauso al equipo de ingenieros orbitales. Durmieron poco y nada en aquellos 10 días “de cortar clavos”.

Un motor eléctrico experimental de sólo 2 kW eyectando plasma en el Princeton Plasma Physics Lab.

La mente lucha por entender que se pueda manipular de semejante modo un aparato de casi 3 toneladas con un motorcito que sólo tira 40 kg. Pero ojo: con un impulso lateral de 40 kg. aquí en la Tierra uno despatarra por el piso a un rugbier gravitacionalmente bien plantado. Hay que ver cómo mueve esa misma fuerza a un satélite casi ingrávido, eximido además de toda resistencia aerodinámica.

El misterio siguiente es entender que se pueda lograr lo mismo con un motor mucho más minimalista, tanto que su empuje equivale al de unas pocas monedas de 1 peso en la mano. La única respuesta posible es que con microgravedad, con xenón, con electricidad, sin resistencia aerodinámica y con tiempo, la física newtoniana hace cosas extraordinarias.

El ascenso LEOP del ARSAT 3 probablemente no baje de 4 meses, y la distancia total recorrida en muchas más sucesivas órbitas, cada vez más circulares, será mucho mayor. ¿Pero esto no implica un lucro cesante? Sí, de al menos 110 días comparado con un LEOP químico. Durante el LEOP el satélite no está fijo en un punto del cielo, que es lo que un operador terrestre espera de un GEO. Quiere que no se mueva nada: exactamente lo que se exige de una torre retransmisora. Y hasta que el GEO no deje de moverse para un operador terrestre, no existe. Y su dueño no cobra un mango.

9 GEOs fijos sobre 9 distintos puntos del Ecuador, y sus respectivos haces de iluminación.

Pero 4 meses de lucro cesante se recuperan de sobra con el ahorro de peso: cada kg. puesto en órbita de transferencia costaba U$ 60.000, a fecha de partida de los ARSAT 1 y 2. Desde entonces, la empresa SpaceX de Elon Musk demolió el precio a U$ 25.000, y descontando. De paso, si quiere saber por qué los soviéticos impusieron en los ’70 la superioridad del xenón antes que la de otros gases nobles, tiene una buena explicación en este video de 9 minutos (en inglés).

Ahora Ud. entiende por qué todo GEO, más allá de su tipo de propulsión, es más una espacionave que un satélite, con grandes plataformas de servicio y cargas útiles más bien exiguas. El prescindir de combustibles líquidos es una lucha contra ese límite. Las empresas de comunicaciones son mucho más conservadoras que las agencias espaciales, de modo que la fueron dando en 2 etapas: promediando los ’90, empezaron a sustituir los “thrusters” de “stationkeeping” por equivalentes eléctricos, cuya fuerza equivale tal vez a la carga de aquellas mínimas monedas de 10 centavos, hasta hace poco circulantes. Pero esos satélites de 2da generación, o híbridos, conservaban unos robustos motores químicos de apogeo.

Luego, cautelosamente, a partir de 2000, se ensayaron en tierra los motores eléctricos de apogeo. El primer GEO “full electric” fue el ABS-3A de Boeing y se lo disparó en 2015. La moda cundió: este año la mitad de los GEOs que se lancen serán eléctricos puros.

¿Por qué son tan ahorrativos? Porque disparan xenón con una velocidad fenomenal, entre 10 y 50 km/segundo o por ahí, 30 veces mayor que la de los gases de combustión cuando escapan por las toberas de un cohete químico.

Y si recuerda física de 3ro y 4to año, la energía cinética de los objetos, aunque se trate de un mínimo e impalpable puñado de átomos de xenón, varía linealmente con su masa, pero cuadráticamente con su velocidad. Eso hace de estos pesados y veloces átomos de xenón un recurso “de altísimo impulso específico”, como dicen en jerga.

Sí, claro, lo entiendo. Ud. de pibe vió despegar, con la boca abierta, al Saturno V que llevaba a Armstrong, Aldrin y Collins a la Luna. ¡Eso era un show! ¡Vamos la fuerza bruta! Un cohete casi el doble de alto que el obelisco de Buenos Aires, que vomitaba un caudal de 13 toneladas/segundo de gases de combustión por las toberas, y esos gases lo levantaban del piso con 4080 toneladas de fuerza. Faltaba música de Wagner, nomás.

Con tales antecedentes, Ud. me dice: “Arias, no me jodas con suspiritos angelicales de xenón”. Pero el que tiene que reprogramar su cabeza es usted. Y al hacerlo, aprenderá a valorar la insoportable levedad de los motores eléctricos.

Nuestro ARSAT 1 en 2014, a semanas de su partida, enorme y con poca carga útil como casi todo GEO de 1ra generación. Ahora en 3 años debemos llegar a un 3ra generación “full”, proceso que a la industria mundial le tomó 20 años.

No se flagele al respecto. A mí también me gustan más los cohetes rugientes y wagnerianos. Pero dentro de poco los motores químicos van a servir sólo para despegar de la Tierra o aterrizar en otros planetas. Dentro del Sistema Solar, y hasta donde la luz del sol sea capaz de producir suficiente electricidad, los viajes probablemente se hagan a puro xenón.

Los motores “de efecto Hall” empezaron a desplegarse cautelosamente en sondas científicas, a fines de los ’60, pero ahora hay centenares de ellos en centenares de satélites industriales, si suma GEOs y LEOs (Low Earth Orbit), los de órbita baja. Y si bien los rusos son el mejor proveedor (FAKEL), los yanquis tienen a Boeing, los europeos a SNECMA, los italianos a SITAEL, y la demanda insatisfecha hoy hace surgir firmitas como Orbion (EEUU), que te entregan –o eso dicen- el motorcito a 8 días de pedido. Falta que te llegue en Rappi. Todo se vuelve “commodity”.

Planteado así, el ARSAT 3 parece facilísimo.

Pero mirémoslo desde otra perspectiva. Al pasar sin escalas intermedias de la plataforma 3K a la nueva “full electric”, ARSAT habrá dado el salto de satélites GEO de 1ra generación (los de los años ’70 y ’80) a los de 3ra. Tal cual. Como si la administración macrista de ARSAT –y del país- no hubiera existido.

En el fondo lo que asusta es eso: existir, existió, y el 40% del electorado quiso que se quedara. Este salto que al mundo GEO le tomó 20 años la Argentina debe darlo en 3 o 4. El ARSAT 3 se supone listo para lanzar en 2023, pero es nuestro primer eléctrico puro, fruto tecnológico de nuestra primera “joint venture” con Turquía que logró llegar a papeles firmados.

Recuerde la historia de los ARSAT 1 y 2. Recuerde la del CAREM con los turcos ¿Ud. cree que en esta ocasión van a faltar palos en la rueda?

(Concluirá mañana)

Daniel E. Arias