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Oct 07, 2023

La fabricación por microgravedad se acerca cada vez más a la realidad

El espacio proporciona un entorno de fabricación óptimo para algunos productos, debido a la gravedad cero, las temperaturas extremas y las condiciones de vacío. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd. The ForgeStar

El espacio proporciona un entorno de fabricación óptimo para algunos productos, debido a la gravedad cero, las temperaturas extremas y las condiciones de vacío. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

El satélite ForgeStar se utilizará inicialmente para producir sustratos semiconductores y superaleaciones. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

La mayoría de los componentes de ForgeStar se ensamblarán internamente. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

Space Forge cree que los satélites reutilizables permitirán la próxima revolución industrial. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

Pridwen cuenta con un escudo térmico de tela que se pliega y despliega utilizando tecnología inspirada en el origami. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

Un sistema autónomo de recuperación a base de agua recuperará cargas útiles de materiales fabricados en el espacio. Ilustración cortesía de Space Forge Ltd.

Primero vino la deslocalización. Luego, reshoring y nearshoring. Algún día cercano, es posible que los fabricantes también debatan las ventajas de la “fabricación por encima del apuntalamiento” o la “fabricación fuera del planeta”.

Durante décadas se ha hablado de la fabricación en el espacio. De hecho, algunos de los primeros números de la revista ASSEMBLY de finales de la década de 1950 incluían artículos que analizaban el tema.

Hoy en día, todavía faltan algunos años para el concepto de fabricación en microgravedad o producción en el espacio, pero está mucho más cerca de la realidad que de la ficción. Varias empresas emergentes, como Redwire Space, Space Forge Ltd. y Varda Space Industries, esperan aumentar su actividad en los próximos dos años.

Space Forge es una empresa con sede en Gales que recientemente instaló una oficina en Estados Unidos. También está en proceso de construir aquí una fábrica de última generación que ensamblará pequeños satélites relanzables.

La medida estratégica es parte del plan de la compañía para fortalecer sus asociaciones de fabricación, capitalizando el creciente interés estadounidense en los súper materiales y semiconductores. Muchos ingenieros están intrigados por el entorno de producción óptimo en el espacio exterior, que se caracteriza por la gravedad cero, temperaturas extremas y condiciones de vacío que pueden producir nuevos materiales más puros y con menos defectos.

"El apetito por la fabricación de semiconductores en el espacio en particular es fuerte y está creciendo, impulsado por iniciativas comerciales y de defensa como la Alianza AUKUS", dice Joshua Western, director ejecutivo de Space Forge. "A medida que despertamos más interés en nuestra capacidad de producir súper materiales, las capacidades de producción en uno de los mercados de semiconductores más grandes del mundo son el siguiente paso lógico".

Según Western, "la próxima revolución industrial no será en la Tierra". Space Forge es pionero en el concepto de fabricación como servicio en microgravedad con una plataforma relanzable denominada ForgeStar. El satélite presenta capacidades de descenso suave y aterrizaje de alta precisión.

ForgeStar, que tiene aproximadamente el tamaño de un refrigerador pequeño, estará desplegado en órbita por hasta seis meses. Inicialmente se utilizará para producir superaleaciones y sustratos semiconductores.

"Esta tecnología patentada protege más el retorno de la carga útil que las cápsulas ablativas tradicionales utilizadas por la competencia", afirma Western. "Tanto los vehículos ForgeStar como las cargas útiles para los clientes estadounidenses se fabricarán en [nuestras] nuevas instalaciones".

El espacio exterior proporciona un entorno ideal para fabricar ciertos tipos de productos. En particular, la gravedad cero tiene un gran potencial para producir aleaciones, productos biofarmacéuticos y semiconductores de próxima generación.

"El casi vacío del espacio permite sustratos perfectamente mezclados y perfectamente distribuidos sin ningún contaminante", explica Andrew Parlock, director general de Space Forge US. “La pureza del medio ambiente también es ventajosa, porque hay cantidades muy bajas de nitrógeno y oxígeno.

"Además, el espacio ofrece la ventaja de tener temperaturas frías o calientes óptimas", señala Parlock, ex ejecutivo de Lockheed Martin y Northrop Grumman. “Es posible enfrentarse al sol y tener temperaturas altas, o alejarse del sol y tener temperaturas constantemente frías.

"Ya hemos superado los límites de la fabricación en el planeta para ciertas cosas, como las aleaciones", advierte Parlock. “La producción en microgravedad nos permitirá crear miles de nuevas superaleaciones.

"Unas condiciones únicas nos permiten acceder y combinar una gran cantidad de elementos que no están disponibles o no son factibles en la Tierra", dice Parlock. “Se basa en un cálculo factorial, lo que significa que por cada nuevo elemento que agregamos, el número de aleaciones posibles aumenta en el factorial del número total de elementos. Dado que el espacio nos da acceso a muchos más elementos que la Tierra, el número de nuevas aleaciones que podemos crear es exponencialmente mayor”.

Las superaleaciones producidas en el espacio podrían ser beneficiosas en muchas aplicaciones prácticas, como aumentar la resistencia de los pernos utilizados para ensamblar las palas de las turbinas eólicas.

"La principal limitación de la eficiencia de las turbinas eólicas es la longitud de las palas, que está limitada por la capacidad de transporte por carretera", explica Parlock. “La solución obvia es dividir las palas en secciones y ensamblarlas in situ.

“Sin embargo, este punto de conexión, donde las palas individuales se conectan para formar palas cada vez más largas, es un punto de gran tensión. Los materiales actuales no pueden gestionar las tensiones de forma eficaz, lo que provoca que las palas se rompan o se deformen”, señala Parlock.

“Aquí es donde las superaleaciones pueden resultar útiles”, afirma Parlock. "Podemos crear aleaciones en el espacio que sean lo suficientemente fuertes como para soportar la tensión en el punto de conexión, lo que nos permitirá construir palas de turbinas eólicas más largas y más eficientes".

La misión de Space Forge sigue un mantra simple: lanzar, forjar, regresar y repetir. El primer paso se ha vuelto factible recientemente gracias a la llegada de proveedores de lanzamientos comerciales como Blue Origin, SpaceX y United Launch Alliance.

"Para lograr una verdadera economía de escala, es necesario poder reutilizar su plataforma a un precio competitivo", afirma Parlock. “La economía actual de la fabricación, el lanzamiento y el retorno de pequeños satélites ahora hace posible hacer cosas que no eran rentables en el pasado. El costo del lanzamiento se ha reducido drásticamente gracias a un grupo de empresarios espaciales como Jeff Bezos y Elon Musk.

“Al principio viajaremos a bordo de cohetes SpaceX”, señala Parlock. “La órbita terrestre baja (de 150 a 2000 kilómetros de altura) ofrece actualmente la mejor relación calidad-precio. Los beneficios incluyen costos de lanzamiento económicos, excelentes oportunidades de viajes compartidos y niveles relativamente bajos de radiación”.

La primera plataforma de Space Forge, denominada ForgeStar 1A, estará en funcionamiento a principios del próximo año. Sin embargo, la empresa planea establecer un servicio semanal comercialmente viable para finales de esta década.

Para lograr ese objetivo, ForgeStar estará equipado con capacidades de aterrizaje de alta precisión y descenso suave que protegerán las cargas útiles sensibles de daños. Los ingenieros de Space Forge desarrollaron un sistema de reentrada reutilizable que permitirá el regreso confiable y de bajo costo de los satélites a la Tierra.

Pridwen, llamado así por el escudo mítico del Rey Arturo, presenta un escudo térmico de tela que se pliega y despliega utilizando tecnología inspirada en el origami.

"Aunque el coste de lanzar satélites al espacio se ha reducido gracias al uso de la reutilización, todos los vehículos comerciales de retorno al espacio actuales utilizan escudos térmicos ablativos que deben sustituirse después de cada vuelo", afirma Parlock.

"Pridwen utiliza una aleación de alta temperatura que es lo suficientemente grande como para irradiar el calor de reentrada sin quemar el material, lo que lo hace totalmente reutilizable", añade Parlock. "Este escudo es mucho más grande que el vehículo y se pliega para caber dentro del lanzador mediante una técnica de origami modificada".

Los ingenieros de Space Forge dedicaron más de cuatro años a desarrollar el sistema, con financiación proporcionada por la Agencia Espacial del Reino Unido y la Agencia Espacial Europea. Recientemente llevaron a cabo con éxito una serie de pruebas utilizando pruebas en túnel de viento de plasma de muestras de escudos, lanzamientos de globos a gran altitud, pruebas de despliegue de origami y supervivencia en el mar.

Debido a que muchos productos fabricados en el espacio serán vulnerables a las fuerzas de choque experimentadas durante el reingreso y el aterrizaje, los ingenieros también desarrollaron una red flotante a base de agua llamada Fielder. El vehículo no tripulado maniobra debajo de un vehículo de reentrada para suavizar el aterrizaje y permitir un rápido regreso a puerto.

"Queremos ser una empresa de materiales avanzados que aproveche la fabricación espacial", afirma Parlock. “Al principio, produciremos estructuras cristalinas que puedan usarse para producir sustratos semiconductores. Esto podría conducir eventualmente a la fabricación de chips de microgravedad”.

Pero, antes de que ese viejo sueño de los escritores de ciencia ficción se convierta en realidad, hay varios desafíos importantes que deben abordarse. Uno es la falta de estándares relacionados con la fabricación en el espacio. Otra cuestión desconcertante tiene que ver con el control del tráfico aéreo comercial.

"Cada vez que se realiza un lanzamiento hoy en día, se produce una enorme perturbación en el tráfico aéreo", explica Parlock. “Ahora estamos hablando de traer cosas del espacio de forma regular. Actualmente no existe ninguna regulación relacionada con el retorno de cargas útiles a la Tierra”.