De simples juguetes a la Estación Espacial Internacional.

Con un coste adecuado, a las baterías electroquímicas de las naves espaciales, así como en los automóviles y en otros usos cotidianos.

Mayo de 2003: Por muy peligroso que pueda ser un apagón en casa, en una central eléctrica o en un hospital, no es nada comparado con la crisis a la que habría que enfrentarse en caso de pérdida de energía en una nave espacial. Tomemos la Estación Espacial Internacional (EEI), por ejemplo. Sus miles de funciones están confiadas a la electricidad. La EEI utiliza la electricidad para encender sus luces, hacer funcionar sus sistemas de soporte vital y alimentar sus computadoras, así como para llevar a cabo algunos experimentos muy caros, pero muy importantes científicamente. Incluso se usa la electricidad para desunir las moléculas de agua y producir así el aire que respiran los astronautas de la EEI. Las baterías electroquímicas proporcionan energía a la estación cuando, en cada órbita, se sitúa bajo la sombra de la Tierra. Con todo, la NASA está buscando un método mejor de almacenar la electricidad en naves espaciales.

Alan Palazzolo y su equipo del Centro para la Energía Espacial en College Station, Texas, han estado trabajando para aumentar la fiabilidad de la suspensión magnética del sistema de almacenamiento de energía por volante de inercia para su uso en el espacio. Este instrumento para pruebas a alta velocidad se usa para desarrollar un sistema de diagnóstico y control que detecte y corrija situaciones anómalas y que optimice y adapte la suspensión magnética del volante para una mejor eficiencia del mismo. Créditos: Universidad A & M de Texas. Fuente: Boletín OBPR de Space Research, septiembre de 2002. (Vol. 1, N. 4).

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El investigador Jefe del Centro para la Energía Espacial (CSP, Center for Space Power), un centro espacial comercial de la NASA en el College Station, de la Universidad A & M, de Texas, ha estado trabajando durante muchos años en varias partes de un sistema de almacenamiento de energía por volante de inercia, o batería cinética. Él y sus colaboradores están tomando algunos aspectos de la tecnología terrestre actual y ajustándolos para aplicaciones espaciales. Su trabajo ya ha producido algunas patentes para el CSP y sus investigadores asociados.


En el momento actual, la EEI obtiene su energía de varios paneles solares, que contienen múltiples células solares, o fotovoltaicas. Dichas células fotovoltaicas, que producen corriente eléctrica a partir de la luz solar, están orientadas hacia el Sol para capturar tanta luz como puedan. Cuando a la estación le da la luz, las células de energía alimentan directamente a la estación y cargan un banco de baterías recargables de níquel-hidrógeno, las cuales suministran energía cuando la estación está en sombra. Puesto que está situada en una órbita muy baja, la estación puede estar en sombra hasta 36 minutos en cada una de sus órbitas de 92 minutos. Por tanto, estas baterías están cargándose y descargándose continuamente.

Por desgracia, las baterías electroquímicas, como las recargables de níquel-hidrógeno, se pueden recargar un número de veces limitado. El reemplazo de las baterías gastadas por medio de la lanzadera espacial es caro -tanto por el precio de las mismas baterías como por el coste de transportarlas e instalarlas.

Un sistema de almacenamiento de energía de volante de inercia sería más eficiente, pesaría menos y tendría una vida más dilatada, bajo las mismas condiciones, que el de baterías electroquímicas. Las baterías de volante de inercia podrían ahorrarle a la NASA decenas de millones de dólares por año en equipo y en costes energéticos, y también podrían usarse en satélites, además de en la Estación Espacial y también proporcionarían beneficios por sus usos en la Tierra.

Las baterías funcionan según un principio muy simple: la energía ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma. Usando una física muy simple, las baterías convierten energía potencial, o almacenada, en energía cinética, o movimiento. Las baterías electroquímicas almacenan energía potencial mediante la reacción química de sus componentes. Esta reacción libera electrones que, cuando se conectan a un circuito, se moverán por él y moverán una carga (un motor, o encenderán una bombilla). Esta reacción continuará hasta que los reactivos químicos se agoten.

En las baterías recargables electroquímicas, que son las que se usan en la EEI, al invertir la corriente por el circuito se invierte también la reacción química. Los electrones vuelven a un estado de alta energía por la reconstrucción de la composición química. Esto restaura los reactivos químicos a su composición original y convierte energía (en este caso la de la luz solar) en energía potencial otra vez.

Las baterías de volante de inercia también funcionan transformando energía. Al principio, la energía cinética hace girar un volante. ¿Qué es un volante de inercia? 'Imagínense una peonza', dice Fred Best, Director del Centro de la Energía del Espacio. 'Si se imaginan una peonza girando, pues eso es un volante de inercia, sólo que gira mucho más rápidamente y tiene mucha más masa que una peonza. Y la razón por la que un volante de inercia es útil es porque el giro -sobre todo, la alta velocidad de giro- es una manera de almacenar energía'. En una batería de volante de inercia, la energía eléctrica externa (a través de un motor) es la energía que alimenta al motor que hace girar al volante de inercia, transformando la energía eléctrica en energía cinética rotatoria. Cuando el volante de inercia deja de estar en tensión y comienza a dejar de girar, la energía rotatoria almacenada se convierte de nuevo en energía eléctrica por el motor -convertido ahora en un generador- que suministra la energía necesaria para los procesos.

Aunque los sistemas de volante de inercia hacen lo mismo que las baterías electroquímicas recargables, hay nuevos desarrollos que las han hecho mucho mejores en algunos aspectos. Best lo explica así: 'Recientes avances -y por recientes hay que entender los últimos 10 años- en los materiales con los que se construyen los volantes de inercia como en la forma de controlarlos, nos han permitido hacer que los volantes de inercia giren a velocidades mucho más elevadas que las que eran posibles en el pasado. Esto quiere decir que la energía almacenada en el volante de inercia -la energía cinética- basada en la masa, comienza a ser superior a la que se puede almacenar en una batería electroquímica.

Los investigadores han descubierto que pueden almacenar mucha más energía por unidad de masa en un sistema de volante de inercia que en las baterías electroquímicas. También han determinado que las baterías de volante de inercia tienen un porcentaje mayor de descarga, lo que quiere decir que se puede disponer de una mayor cantidad de la energía almacenada. De los sistemas de volante de inercia se puede recuperar un 80% más de energía que de las electroquímicas, en las mismas condiciones. Este incremento en lo que se denomina profundidad de descarga ofrece algunas ventajas. Los sistemas de volante de inercia pueden pesar menos que las baterías electroquímicas, lo cual es beneficioso para la nave, en la que el peso debe ser limitado. También soportan más ciclos de carga y descarga con menos desgaste y averías para el sistema y por tanto tienen una vida más larga. Una batería electroquímica dura en la EEI entre cuatro y cinco años, mientras que una batería volante de inercia puede durar entre 15 y 20 años.

Aunque la tecnología de volante de inercia se usa actualmente en varias aplicaciones en la tierra -como suministrar energía de reserva en hospitales y como sistema de suministro de reserva para llenar los vacíos entre las caídas de tensión y el retorno de la misma en plantas industriales-, es todavía una tecnología joven. La NASA está intentado hacerse con algunos de los beneficios de esta prometedora tecnología de almacenamiento de energía mediante el patrocinio de investigaciones innovadoras, de forma que el gasto no sea sólo para el programa espacial.

La investigación de la NASA se basa en el Programa de Tecnología Aeroespacial de volante de inercia del Centro de Investigaciones Glenn en Cleveland, Ohio. El responsable de proyecto que lidera el programa es Ray Beach, que también tiene la responsabilidad de coordinar las investigaciones de muchos proyectos de la NASA, con el objetivo final de construir un prototipo. Este prototipo, que deberá estar listo dentro de los próximos cinco años, se utilizará para determinar si los sistemas de volante de inercia son un sustituto viable para las baterías electroquímicas de la EEI. Al igual que las baterías, el sistema de volante de inercia se cargará con la corriente de las células fotovoltaicas de los paneles solares. La corriente eléctrica hará girar al volante mediante un motor, que después se convertirá en un generador, y el volante de inercia será el que haga girar dicho generador para crear electricidad. Las contribuciones de Palazzolo y sus investigadores del CSP están entre las más importantes para el trabajo desarrollado en el Centro Glenn. Cuando Palazzolo comenzó su investigación, la tecnología no era capaz de alcanzar las velocidades y controles secundarios de giro necesarios para su uso en el espacio. La solución fue desarrollar mejores bobinas magnéticas. Como explica él mismo: “cuando intentamos hacer que algo gire a 60 000 revoluciones por minuto, si se hace con bobinas de contacto mecánico la fricción sería tan alta que resultaría prohibitiva en términos de la energía que se consumiría. Las piezas sencillamente se fundirían. Las bobinas magnéticas de Palazzolo suspenden el rotor en un vacío, y eso es lo que permite que las piezas giren a 60 000 rpm”. Esta velocidad es más rápida que la de cualquier otro sistema de volante de inercia, y conserva entre tres y cuatro veces más energía por unidad de peso que cualquier otro sistema de volante de inercia que haya sido testado.

Otro desafío ha sido controlar el eje de rotación del volante. Palazzolo está trabajando en un sistema de obtención de datos que controla el rotor y puede realizar minuciosas y rápidas correcciones para mantenerlo en buenas condiciones. Palazzolo describe cómo funciona: “Si el eje se desvía de su posición óptima, el sistema de control detecta ese error, envía una señal correctiva a las bobinas electromagnéticas que mantienen el eje, y los electromagnetos colocan el eje de nuevo en su posición correcta”.

“En un sistema como el de volante de inercia, el giro a miles de revoluciones por segundo hace que el sistema de control deba actuar en fracciones de milisegundo”, añade Palazzolo. Cualquier desviación del volante de más de medio segundo puede tener consecuencias peligrosas, sobre todo a su velocidad máxima. Además de actuar sobre el equilibrio del volante, el sistema de control puede detenerlo para prevenir daños sobre la EEI. El desarrollo de estos controles ha dado como resultado una patente para Palazzolo y otros investigadores de la Universidad A&M;, de Texas.

Otro aspecto de la investigación de Palazzolo para el Centro Glenn es el posible doble uso del volante de inercia: como batería y como giroscopio para ayudar como control de posición. “Debido a que los volantes de inercia giran, pueden afectar a la nave en la que se encuentran”, dice Best. “El telescopio espacial Hubble tiene giroscopios que permiten al telescopio orientarse en el espacio para apuntar a una dirección determinada. Sin giroscopios, las naves espaciales tendrían que usar toberas para gobernarse. Palazzolo está trabajando en la posibilidad de crear una unidad que pueda funcionar como acumulador de energía y como sistema de control de posición.

Aunque gran parte del trabajo de Palazzolo forma parte del proyecto Glenn, el objetivo del CSP está en inclinarse más hacia las aplicaciones comerciales de su investigación. El CSP es uno de varios centros espaciales comerciales dentro de la División de Desarrollo de Productos Espaciales de la Oficia de Investigación Física y Biológica de la NASA. Una forma en la que los volantes de inercia podrían ser muy beneficiosos para la industria comercial del espacio es como fuente de energía para satélites, sobre todo para satélites de comunicaciones. La mayoría de los satélites son geoestacionarios, orbitan a casi 39 000 Km sobre un punto fijo del Ecuador. Aunque son ideales para la televisión, estos satélites son inadecuados para transmisiones de voz, debido que el lapso de tiempo que transcurre entre emisiones dificulta la comunicación. Si se dispusieran en órbitas bajas serían óptimos para comunicaciones (debido a que no habría tiempos muertos en la comunicación), pero sus órbitas de 90 minutos someterían a las baterías a tantos ciclos de carga-descarga que sólo durarían 5 años, tal como sucede en la estación espacial. Esto hace a los satélites poco viables comercialmente. Las baterías de volante de inercia podrían abrir un nuevo mercado para satélites de baja órbita. Además de trabajar con la industria espacial comercial, Palazzolo y su equipo han trabajado con algunos socios comerciales “terrestres”, ayudándoles a desarrollar mejores sistemas. Uno de los más prometedores proyectos “terrestres” lo desarrolla con la Asociación Federal de Ferrocarriles, y el Centro de Electromecánica (CEM, Center for Electromechanics) de la Universidad de Texas, Austin. Estos socios están desarrollando aplicaciones para los volantes de inercia en trenes.

La eficiencia de las baterías de volante de inercia podría hacer económicamente factible la colocación de satélites en baja órbita, en la que están menos tiempo en zona de sombra y, por tanto, alargan la vida de sus baterías electroquímicas. Las baterías de volante de inercia permitirían a los satélites volar más cercanos a la tierra, donde podrían usarse para comunicaciones sin lapsos de tiempo. Créditos: Dave Dooling y Jacky Edwards. Fuente:OBPR Space Research Newsletter, Septiembre 2002 (Vol. 1, Nº 4).

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“El CEM intenta reutilizar la energía del frenado”, dice Palazzolo. “Con uno de esos volantes en un tren de metro, en lugar de perder toda la energía en calentar los frenos se almacena en el volante de inercia. Después, cuando el tren abandona la estación, usa esa misma energía y así mejora su eficiencia”, explica Palazzolo. “Hemos hecho un gran esfuerzo e investigación para aplicar este sistema de frenado a los automóviles. Esperamos que esto sirva para tener un aire más puro y menor dependencia del petróleo extranjero”.

Enlaces

Centro para la Energía Espacial – Un centro asociado de investigación dedicado a desarrollar tecnologías con la industria para proyectos relacionados con la energía en el espacio.

Desarrollo de productos espaciales – Programa de desarrollo de productos espaciales de la NASA en el que se basa este trabajo.

Author: Carolyn Carter Snare
Editor: Comité editorial de SpaceResearch