Sistemas de Control Térmicos en Satélites: La tecnología de los Loop Heat Pipes

La tecnología del sector espacial ha avanzado significativamente en las últimas décadas, y los satélites desempeñan un papel crucial en esta evolución. Un componente vital para el correcto funcionamiento de los satélites en el espacio es el control térmico de los elementos y estructuras que los componen. La gestión del calor en el espacio es un desafío fundamental, y una de las tecnologías más efectivas en este ámbito son los Loop Heat Pipes (LHP).

Importancia de la Gestión Térmica en Satélites y todo tipo de estructuras en el espacio

En el espacio, los satélites están expuestos a condiciones extremas de temperatura y radiación térmica principalmente. El entorno en el espacio es muy diferente a las condiciones terrestres para disipar el calor. En el espacio sólo se puede eliminar o recibir calor por radiación térmica que es la manera menos efectiva de transmitir el calor en comparación con la convección (natural o forzada) o la conducción térmica que se pueden utilizar en la tierra. Esto puede causar sobrecalentamiento de los componentes electrónicos o, por el contrario, que se enfríen demasiado, afectando a su rendimiento y vida útil. Por lo tanto, un sistema de control térmico eficiente es esencial para mantener las temperaturas dentro de los rangos operativos adecuados.

Estos sistemas se utilizan en todo tipo de satélites, tanto de telecomunicaciones, como de observación, navegación, ciencia o exploración.

¿Qué son los Loop Heat Pipes (LHP)?

Los Loop Heat Pipes son dispositivos de transferencia de calor que utilizan la evaporación y condensación de un fluido de trabajo para transportar el calor de una fuente caliente a un disipador térmico con una diferencia de temperatura mínima. Su diseño único permite transportar el calor de forma eficiente y sin necesidad de energía adicional, aprovechando de forma óptima las propiedades termodinámicas del fluido y la geometría del dispositivo.

La elección del amoniaco, el propileno y el etano como fluido de trabajo

El rango de temperatura más común en los satélites va desde los -70ºC a los 90ºC aproximadamente. En ese rango, el amoniaco es el fluido de trabajo más eficiente utilizado en los LHPs debido a sus excelentes propiedades termodinámicas. Para algunas aplicaciones criogénicas, hay que bajar a temperaturas de hasta -160ºC, donde el propileno y el etano reemplazan al amoníaco como fluidos de trabajo más eficientes. Todos estos fluidos tienen un alto calor latente de vaporización, alta tensión superficial y alta densidad de su fase vapor, con una baja viscosidad, lo que los convierte en candidatos ideales para los sistemas térmicos en satélites en esos rangos de temperaturas.

Los LHP diseñados y fabricados en ARQUIMEA abarcan un amplio rango de temperaturas de operación, desde -160ºC hasta +120ºC y pueden transportar desde 1W hasta 1200W, lo que hace que sean muy adecuados para las condiciones extremas del espacio.

Funcionamiento de los Loop Heat Pipes

El proceso de funcionamiento de un LHP comienza en el evaporador, donde el calor generado por los componentes del satélite provoca la evaporación del líquido. Este vapor se desplaza a través de una tubería de vapor dimensionada específicamente para cada misión, hasta el condensador, que está en contacto con un radiador que emite y disipa el calor al espacio. En el condensador, el fluido de trabajo se condensa de nuevo en líquido y regresa al evaporador a través de una tubería de líquido. En el evaporador existe una mecha capilar que es el elemento que proporciona la presión de bombeo necesaria para hacer circular el fluido de trabajo, venciendo las pérdidas de presión en los distintos componentes del LHP (evaporador, línea de vapor, línea de líquido y línea de condensador. Este ciclo continuo permite una transferencia de calor efectiva, con un gradiente de temperaturas mínimo entre la fuente caliente (componente disipador de calor) y el sumidero frío (radiador), y sin partes móviles.

La integración y test de los Loop Heat Pipes en satélites implica un diseño meticuloso y pruebas rigurosas. Los LHP deben ser cuidadosamente ensamblados y sometidos a ensayos térmicos y pruebas ambientales para garantizar que sobreviven al ambiente mecánico del lanzamiento del satélite y su funcionamiento en las condiciones extremas del espacio, asegurando así la fiabilidad y eficiencia del sistema de control térmico.

Ventajas de los Loop Heat Pipes (LHP) en satélites

1. Alta Eficiencia de Transferencia de Calor: Los LHP son altamente eficientes en la transferencia de calor proporcionando una excelente conductancia térmica, lo que es crucial para mantener la temperatura de los componentes del satélite en niveles óptimos con un tamaño mínimo de los radiadores. Una mala conductancia implica un radiador operando a más baja temperatura, y por tanto la necesidad de una mayor superficie de radiación, ya que la potencia radiada varía con la cuarte potencia de la temperatura.
2. Operación Pasiva: Funcionan sin necesidad de energía externa, utilizando únicamente las propiedades de capilaridad de la mecha. Esto evita el consumo de energía y reduce la complejidad del sistema.
3. Fiabilidad y Durabilidad: Al no tener partes móviles, los LHP son extremadamente fiables y tienen una larga vida útil, lo cual es esencial para misiones espaciales de larga duración. Esta eficiencia se mantiene incluso cuando es necesaria la transferencia de calor en largas distancias de hasta >5 m y para evaporadores con longitudes desde 25 hasta 400 milímetros.
4. Poco peso: Los LHPs son dispositivos muy ligeros
5. Operación contra la gravedad: Los LHPs pueden trabajar en una orientación adversa, con el condensador debajo del evaporador hasta varios metros
6. Flexibilidad mecánica: La unión entre el condensador y el evaporador se realiza con unas líneas de transporte muy ligeras, lo que introduce poca rigidez mecánica entre ambos componentes. Además, se puede aumentar la flexibilidad para permitir amplios movimientos relativos usando mangueras flexibles o líneas en forma de “rabo de cerdo”. Esta posibilidad se requiere por ejemplo para radiadores desplegables o para facilitar la integración en el satélite.
7. Conductancia térmica variable: La conductancia térmica se puede modular para que el evaporador se desacople térmicamente del condensador en caso de que el radiador pueda ponerse muy frío. Esto se puede hacer de manera pasiva introduciendo una válvula reguladora de presión en la línea de vapor, o de manera activa con un calentador en el depósito del evaporador.
8. Adaptabilidad a Variaciones de Temperatura: Pueden adaptarse a un amplio rango de temperaturas, lo que es beneficioso en el entorno variable del espacio.

Aplicaciones en Misiones Espaciales

Los LHP en satélites se utilizan en una variedad de misiones espaciales, desde satélites de comunicaciones hasta sondas interplanetarias. Por ejemplo, se han implementado con éxito en satélites de la NASA y la ESA, donde su capacidad para manejar grandes cargas térmicas y su fiabilidad han sido demostradas repetidamente.

ARQUIMEA cuenta con 52 unidades ya en órbita en distintas misiones y 38 unidades a la espera de ser lanzadas. Entre los Loop Heat Pipes más recientes fabricados están los de la antena activa del satélite de última generación SpainSat NG, todo un reto tecnológico.

Además, hemos trabajado en grandes proyectos con las principales agencias espaciales y empresas operadoras de satélites en diferentes misiones internacionales, como ExoMars, Intelsat 19, Intelsat 20, Star One C4, Astro-H, Sentinel-1/2, EDRS-A/C, Alphasat, etc.

Desafíos y Futuro de los LHP

En el futuro, los avances en materiales y tecnologías de fabricación, como la fabricación aditiva, prometen hacer que los LHP sean aún más efectivos y accesibles (económicos), ampliando su uso en una mayor variedad de aplicaciones espaciales.

Conclusión

Los Loop Heat Pipes representan una solución avanzada y eficaz para la gestión térmica en satélites. Su capacidad para transferir calor de manera eficiente, ligera y sin necesidad de energía adicional los convierte en un componente crucial para la exploración espacial moderna. A medida que continuamos avanzando en nuestra comprensión y utilización del espacio, los LHP jugarán un papel cada vez más importante en garantizar el éxito y la sostenibilidad de nuestras misiones espaciales.