Ocho años de investigación y desarrollo y 14 salidas espaciales para reemplazar las baterías viejas son parte de una actualización general del sistema eléctrico para ayudar a continuar la investigación después de 20 años de presencia humana continua a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS). Dos astronautas de la Nasa culminaron el lunes esta tarea.
Los astronautas ingenieros de vuelo Michael Hopkins y Victor Glover, que llegaron a la Estación Espacial Internacional (ISS) a bordo de la nave espacial Crew Dragon Resilience, de SpaceX realizaron el pasado lunes una salida espacial, para trabajos de sustitución de baterías.
A medida que la ISS orbita la Tierra a unos 45.000 kilómetros por hora pasa entre la luz del sol y la oscuridad cada 45 minutos. Durante los 45 minutos que la ISS está a la luz del sol, sus paneles solares proporcionan energía a la estación y recolectan energía para ser almacenada en las baterías en la estructura de celosía de la estación. Una vez que la estación cruza la «línea de terminación», o la diferencia entre el día y la noche en la Tierra, las baterías de la estación proporcionan energía almacenada para ser enrutada por toda la estación espacial. Esta electricidad alimenta todo, desde los sistemas de soporte vital de la estación hasta las aspiradoras que la tripulación usa para mantener la estación limpia, y todo lo demás.
Las actualizaciones de la ISS están diseñadas para maximizar la capacidad del laboratorio en órbita para respaldar la investigación científica y el desarrollo tecnológico. La estación también está abierta al público y sirve como base para continuar el desarrollo de una economía comercial robusta en la órbita terrestre baja. Además, el trabajo que se está realizando para mantener la estación y realizar investigaciones está ayudando a preparar a la Nasa para futuras misiones de larga duración a la Luna con Artemisa y, finalmente, a Marte.
El sistema de energía principal de la estación espacial utilizó originalmente baterías de níquel-hidrógeno para el almacenamiento. En 2009, el Programa de la ISS realizó un estudio preliminar de riesgo y viabilidad para evaluar el uso de baterías de iones de litio para reemplazar el sistema de almacenamiento de energía. A principios de 2011, el programa aprobó el desarrollo de la nueva batería. La producción comenzó a fines de 2014 y, en diciembre de 2016, la Nasa comenzó el proceso de reemplazar las baterías viejas por nuevas baterías de iones de litio. Después de cuatro vuelos de la nave espacial japonesa de carga H-II Transfer Vehicle (HTV) y 13 astronautas diferentes que realizaron 14 salidas espaciales, el sistema de energía principal ahora se ha actualizado completamente a la tecnología de iones de litio.
Las nuevas baterías fueron provistas por Boeing, quien también trabajó con Aerojet Rocketdyne y otros para ciertos componentes. GS Yuasa Lithium Power proporcionó las celdas de iones de litio de grado espacial. Una batería de iones de litio y la placa adaptadora correspondiente reemplazan dos baterías de níquel-hidrógeno. Las placas adaptadoras, fabricadas por Atec, proporcionaron calor a las baterías de iones de litio mientras estaban en la paleta expuesta HTV de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) hasta que se transfirieron a la estructura de la estación para su instalación. Esta característica ya no es necesaria una vez que las baterías están instaladas, ya que cada batería de iones de litio contiene dos calentadores internos por celda que proporcionan acondicionamiento térmico después de su activación.
Las BCDU son fundamentales para utilizar la energía almacenada en las baterías. Estos enrutan parte de la energía solar recolectada por las matrices del bus de energía principal para cargar las baterías. Cuando está bajo la luz del sol, parte de la energía recolectada por los paneles solares opera la estación, mientras que la otra parte se almacena en las baterías. Cuando está en la oscuridad, las BCDU dirigen la energía de las baterías de regreso al bus de energía principal para ser utilizada por la estación.
La primera entrega de seis baterías de iones de litio y placas adaptadoras llegó a bordo de la misión HTV-6 de JAXA en diciembre de 2016, y el conjunto final se lanzó el 20 de mayo de 2020, a bordo de la misión HTV-9 de JAXA, el último lanzamiento de la nave HTV de primera generación. Los controladores terrestres pudieron usar el Canadarm2 robótico de la estación espacial para colocar baterías para la instalación de los paneles solares más cercanos al centro de la columna vertebral de la estación, pero los conjuntos de paneles solares lejanos estaban fuera del alcance del brazo robótico, lo que requería salidas espaciales adicionales de astronautas para cada conjunto.
Los equipos se encontraron con algunos desafíos en el camino. Una avería dentro de una de las BCDU durante la activación abrió el fusible en una de las nuevas baterías en abril de 2019, lo que requirió operaciones robóticas para reemplazar la BCDU y volver a instalar dos baterías de níquel-hidrógeno hasta que se pudiera entregar una batería de iones de litio de reemplazo a la estación espacial en enero de 2020 a bordo de la nave Dragon de SpaceX en su 19 misión de servicios de reabastecimiento comerciales. Además, una segunda BCDU fallida en la armadura exterior requirió una salida espacial adicional para reemplazarla, esa fue la primera salida espacial exclusivamente femenina con las astronautas de la Nasa Christina Koch y Jessica Meir.
Si bien algunas baterías de níquel-hidrógeno se desconectan y almacenan permanentemente en placas adaptadoras fuera de la estación, muchas se volvieron a unir al palet expuesto de la nave espacial HTV y se desecharon cuando el HTV regresó a la atmósfera terrestre.
En su configuración final, la ISS ahora tiene tres baterías de iones de litio para cada canal, cada una con una vida útil de casi 10 años. Con ocho canales, 24 baterías de iones de litio a bordo reemplazaron 48 baterías de níquel-hidrógeno. La mayor densidad de energía de la tecnología de iones de litio reduce la cantidad de baterías necesarias (y vehículos de lanzamiento), lo que se traduce en menos lugares de manifiesto de carga necesarios para las baterías.
La investigación patrocinada por la Nasa sobre baterías de iones de litio puede resultar en una mayor seguridad para su uso en la Tierra. Cuando una celda de una batería de iones de litio se sobrecalienta, la batería puede experimentar un evento térmico autosostenible conocido como fuga térmica. Las baterías de iones de litio de la estación espacial utilizan un escudo de barrera radiante, desarrollado por primera vez para motores de cohetes, para reducir la probabilidad de un evento de fuga térmica. A través del programa de Transferencia de Tecnología de la Nasa, la empresa KULR Technology, con sede en California, desarrolló formas más precisas para probar estos problemas y desarrolló un Thermal Runaway Shield (TRS), que elimina el calor de las celdas de iones de litio, ahorra peso y reduce el tamaño de la batería en comparación con los diseños tradicionales. El TRS, desarrollado para paquetes de baterías de iones de litio de trajes espaciales, se puede utilizar de diversas formas, desde satélites y naves espaciales hasta bicicletas eléctricas y scooters. Eventualmente, el TRS podría usarse en autos eléctricos, drones y aviones.
Una vez completadas las actualizaciones de las baterías a bordo de la ISS, la atención se centra en el aumento de los paneles solares. Durante los próximos años, seis nuevos paneles solares llegarán a la ISS a bordo de tres naves espaciales de carga SpaceX. Aunque funcionan bien, las matrices originales están comenzando a llegar al final de sus 15 años de vida útil. Se instalarán nuevas matrices en futuras caminatas espaciales y abastecerán a la estación con más de 20 kilovatios de energía cada una. El par restante de paneles solares descubiertos y los arreglos heredados parcialmente sombreados que permanecen en su lugar debajo de los nuevos arreglos continuarán generando aproximadamente 95 kilovatios de energía para un total de hasta 215 kilovatios de energía disponible para respaldar las operaciones de la estación al finalizar.
