El laboratorio espacial de radiofrecuencia cumple diez años resolviendo problemas.

Los sistemas de radiofrecuencia permiten a los satélites comunicarse a través de la inmensidad del espacio, retransmitir señales y brindar servicios o sondear con radar la Tierra y otros planetas. No obstante, el funcionamiento de estos potentes dispositivos en el vacío del espacio hace que estén expuestos a riesgos potencialmente destructivos, como el equivalente espacial de los rayos. El laboratorio de la ESA que se encarga de investigar estos efectos cumple diez años en su sede actual.

Entrada a los Laboratorios de Materiales Espaciales de Alta Frecuencia y Radiofrecuencia de Alta Potencia de la ESA en Valencia, España, operados por el Consorcio Espacial de Valencia. Crédito: ESA.

El Laboratorio Europeo de Alta Potencia en Radiofrecuencia ESA-VSC, con sede en Valencia, es uno de los laboratorios de la División de Cargas Útiles y Tecnologías de Radiofrecuencia de la ESA y forma parte de la red de laboratorios que la Agencia posee por toda Europa especializados en distintos aspectos del entorno espacial.

“Los satélites precisan cada vez de más potencia de radiofrecuencia tanto para las comunicaciones como para la ciencia —señala David Raboso, responsable del laboratorio para la ESA—. Nuestro laboratorio garantiza que los sistemas de radiofrecuencia más potentes, que funcionan en un rango de kilovatios, puedan operar de forma segura en el espacio, sin sufrir los destructivos efectos secundarios que tienden a producirse en el vacío”.

El laboratorio original se hallaba en el centro técnico ESTEC de la ESA en los Países Bajos, desde donde daba servicio a la primera generación de satélites por radar europeos. Pero desde hace diez años se encuentra en España, donde su propiedad y sus operaciones se comparten con el Consorcio Espacial Valenciano – Val Space Consortium (VSC), una organización no gubernamental integrada por la Universitat Politècnica de València, la Universitat de València, la Generalitat Valenciana y el Ayuntamiento de Valencia.

Resplandor de descarga de corona en un componente de RF de microstrip probado en ESTEC. Crédito: ESA.

“Desde el traslado, hemos colaborado en cientos de misiones de la ESA y comerciales, a la vez que hemos aumentado nuestras actividades de I+D asociadas”, añade David.

“Entre ellas se encuentran los proyectos de investigación con nuestras instituciones asociadas, así como la incorporación de estudiantes en prácticas de universidades de toda Europa. Nuestro éxito ha sido tal que la ESA y el VSC han acabado por fundar una nueva instalación, el Laboratorio Europeo de Materiales de Alta Potencia para Espacio, que estudia los retos asociados a los materiales durante las operaciones de alta potencia en radiofrecuencia”.

Como dijo el pionero de la radiotransmisión Guillermo Marconi, “cada día, la humanidad suma una nueva victoria en la lucha con el espacio y el tiempo” y, en efecto, la radio ha demostrado ser un elemento esencial para la exploración del espacio. Pero, al mismo tiempo, operar sistemas de radiofrecuencia potentes en el vacío puede ser problemático.

La fuerte energía de radiofrecuencia puede generar avalanchas de emisiones de electrones secundarios y provocar la ruptura de radiofrecuencia a través de lo que se conoce como efecto “multipactor”. De forma similar, pequeñas cantidades de gases circundantes pueden ionizarse hasta formar una “corona” brillante, llegando a causar un calentamiento localizado o descargas eléctricas parecidas a rayos. Las emisiones más potentes también pueden provocar interferencias por “intermodulación pasiva” con otras antenas adyacentes.

Estos efectos destructivos, que podrían llegar a acabar con una misión, aumentan a medida que se incrementa la potencia de radiofrecuencia. Así, el laboratorio ha desempeñado un papel crucial, por ejemplo, en el perfeccionamiento de los satélites de la constelación Galileo, diseñada para envolver el planeta de forma continuada con señales de navegación precisas.

TESTEO DE ANTENAS EN VACÍO TÉRMICO Uno de los elementos que más flexibilidad nos confiere es un sistema térmico en el cual es posible ensayar antenas de satélites en alto vacío. Mediante el empleo de una tapa transparente a la radiofrecuencia el dispositivo se encuentra en condiciones de alto vacío pero radiando en condiciones de espacio lejano. Al evitar el uso de elementos absorbentes dentro de la propia cámara de vacío se consiguen niveles limpieza molecular mayor, mejor transferencia térmica de calor y condiciones de adaptación y disipación de calor excelentes. Laboratorio Europeo de Alta Potencia en Radiofrecuencia

En cuanto a BepiColombo, el laboratorio garantizó que la antena de radiofrecuencia de la nave siguiera funcionando a las temperaturas que experimentará en la órbita de Mercurio, de en torno a 400 °C. Además, cualificó las operaciones de la gigantesca antena a bordo del satélite de comunicaciones Alphasat.

En el caso de los satélites Sentinel de Copernicus, el laboratorio se ocupó de las descargas coronales que se producían en los módulos de transmisión-recepción. En el del satélite meteorológico polar MetOp, habilitó su dispersómetro, enviando pulsos de radio para medir la superficie marina y los vientos superficiales. Y en el de la familia de satélites meteorológicos geoestacionarios Meteosat, cualificó sus componentes clave.

También se han llevado a cabo labores en misiones aún en preparación, incluyendo la certificación de los innumerables sensores de radar de banda P que la misión Biomass utilizará para atravesar la cubierta forestal y contar todos los árboles de la Tierra. Con respecto al róver de ExoMars 2022, el laboratorio ha contribuido a comprobar que su sistema de comunicaciones funcione con seguridad en la tenue atmósfera marciana.

“Algunas de las tareas más difíciles que llevamos a cabo tienen que ver con la investigación de anomalías —añade David—, donde tenemos que hacer de detectives para intentar comprender los efectos inesperados que se dan en el espacio”.

“Por ejemplo, cuando el Vehículo Automatizado de Transferencia (ATV) de la ESA se acercaba a la Estación Espacial Internacional, sus sistemas detectaron interferencias de radiofrecuencia. Al principio no entendíamos de dónde procedían. Luego vimos que la fuente de las señales de radiofrecuencia estaba en los iPad y enrutadores que usaba la tripulación y que estas atravesaban los módulos hacia el ATV durante el acoplamiento. Una vez que lo entendimos, pudimos mitigarlas con solo pedir a la NASA que desplazara la frecuencia en el enrutador”.

ESPECTROSCOPÍA DE MASAS La espectrometría de masas es una técnica de análisis que permite determinar la distribución de las moléculas de una sustancia en función de su masa. Disponemos de varios espectrómetros de masas que permiten analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación entre masa y carga (m/z). Con ello podemos identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. La información obtenida es de gran utilidad por su relación directa con los efectos multipactor, corona y desgasificación. Laboratorio Europeo de Materiales de Alta Potencia para Espacio.

“Tenemos capacidad de reaccionar en respuesta a emergencias en misiones de toda Europa, investigando y mitigando la fuente de las averías en satélites en vuelo. Nuestros usuarios lo saben bien: nos llaman los ‘bomberos de la radiofrecuencia’”. El laboratorio de alta potencia y el de materiales están abiertos a todo tipo de empresas aeroespaciales, así como a administraciones y organismos de investigación. Además, funcionan sin ánimo de lucro, pues los ingresos se usan para cubrir los costes operativos y se invierten en la mejora de las instalaciones.

Contacto: david.raboso@esa.int

• Publicado en ESA-España el 28 de abril del 2020, enlace publicación.