maxon Story
Personalización de motores estándar para el espacio
Mediante una combinación de motores industriales estándar y colaboración creativa, la personalización mediante tecnología de vanguardia permite que motores de alta precisión y larga vida útil lleguen a Marte, y más allá.
No se puede negar que el entorno marciano puede ser duro y desafiante para sistemas diseñados para su uso en la Tierra. La densidad de la atmósfera de Marte es aproximadamente 100 veces menor que la de la Tierra, aunque es suficiente para permitir la creación de nubes y viento. Las enormes tormentas de polvo, a menudo formadas por el polvo de óxido de hierro que cubre la superficie del planeta —y que también es un elemento permanente de la atmósfera marciana—, pueden ocultar el planeta durante meses en determinadas estaciones. Las variaciones de temperatura de Marte oscilan entre los -125 °C (-195 °F) cerca de los polos en invierno y los 20 °C (70 °F) cerca del ecuador a mediodía. Todo esto parece indicar que se trata de un entorno al que es difícil adaptarse. Sin embargo, los ingenieros de sistemas siempre recurren a diseños de calidad industrial para comenzar su búsqueda de los componentes adecuados.
Aprender de la historia
Desde principios del siglo XVII, cuando se inventó el telescopio, Marte viene despertando gran interés. A pesar de que los telescopios aumentaban el tamaño de la imagen, Marte seguía sin verse mucho más grande o con mayor claridad. Cuando la curiosidad creció lo suficiente, se hizo evidente que, para comprender el Planeta Rojo, sería necesario viajar hasta allí. En 1964, la NASA sobrevoló Marte por primera vez con el Mariner 4, que captó imágenes de sus cráteres, similares a los que los científicos habían descubierto previamente en la Luna. La superficie también mostraba señales de acción volcánica que habría tenido lugar en algún momento de su historia y había dejado a su paso cañones enormes.
Incluso con el espejo de 4,5 metros del telescopio del Observatorio del Monte Palomar, es difícil apreciar los detalles de la superficie de Marte. (Fotografías cortesía de la NASA)
Esta información hizo crecer aún más el interés por Marte y animó a los científicos en su esfuerzo por aterrizar en el Planeta Rojo para estudiar más de cerca su superficie y entorno. En los años 70, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA envió a Marte la primera nave espacial que logró aterrizar con éxito. El módulo de aterrizaje Viking 1 se utilizó para llevar a cabo análisis puntuales de la superficie con el fin de averiguar si había vida en el planeta. El Viking 1 captó imágenes de alta resolución durante más de seis años. También examinó muestras del suelo mediante un brazo robótico y un laboratorio biológico especialmente diseñado para ello, lo que permitió descubrir que este planeta frío tenía un suelo volcánico, una atmósfera seca de dióxido de carbono y evidencia de antiguos cauces de ríos y grandes inundaciones.
A medidos de los 90, tras dos décadas de pausa, la NASA estaba preparada para pasar al siguiente nivel en la exploración de Marte y regresar con sus rovers. Para este viaje, la NASA buscó motores industriales estándar lo suficientemente resistentes para viajar a Marte. Aquí es donde comienza oficialmente la relación de maxon con Marte. Cuando la NASA/el JPL comenzaron su búsqueda, sabían que necesitaban unas pocas especificaciones críticas para que el motor fuera más compatible con la misión. La principal cuestión era la resistencia de los motores en un entorno de baja presión, así como su estabilidad ante los choques y vibraciones, no solo durante el lanzamiento, sino también durante el aterrizaje duro. Otra preocupación eran las variaciones extremas de temperatura a las que debían enfrentarse los motores.
Hasta 1997, ningún rover había logrado aterrizar con éxito en Marte. El Sojourner Pathfinder incorporaba diez motores RE 16 DC con el objetivo de averiguar cómo funcionaría la ingeniería de los motores semipersonalizados. maxon suministró motores industriales de alta calidad y larga vida útil con muy pocos ajustes para el viaje. En enero de 2004, dos geólogos robóticos llamados Spirit y Opportunity aterrizaron en caras opuestas de Marte. Su capacidad de movimiento era muy superior a la del rover Pathfinder y tenían como objetivo principal era la exploración científica. Cada uno de estos rovers estaba equipado con 35 motores DC de maxon: motores RE 20 y RE 25 en combinación con encoders MR.
Los motores se utilizaron para una gran cantidad de aplicaciones en cada rover, que incluían el accionamiento de las ruedas, la apertura de los paneles fotográficos, el despliegue de los mástiles y muchos más funciones. Después de 15 años y un trayecto de 45 km, la misión de Opportunity llegó a su fin. El objetivo era la ciencia. El rover debía averiguar si había habido agua en la superficie de Marte en algún momento de su historia planetaria. Una imagen reveladora de capas de sedimentos fue la prueba de ello. A finales de noviembre de 2018, InSight aterrizó en Marte, siendo la primera misión en utilizar el motor DCX con escobillas de maxon, de última generación, y el primer reductor de maxon en Marte.
Colaboración y avances tecnológicos
La colaboración con otros socios industriales y centros espaciales como la NASA/JPL da lugar a un intercambio de experiencias y conocimientos entre todas las partes que propicia nuevos avances tecnológicos a todos los niveles. El conocimiento adquirido no solo facilita el desarrollo de la tecnología de los componentes semipersonalizados de uso específico, como las misiones espaciales, sino permite que los fabricantes utilicen los datos para seguir mejorando las tecnologías empleadas para productos industriales estándar. Cada nueva misión a Marte con un rover requiere una mayor flexibilidad y más capacidades, por lo que la colaboración es fundamental.
El primer motor DCX y el primer reductor planetario de maxon se utilizaron en un mecanismo que usaba un método similar al de un hincador de pilotes para la construcción para introducir un sensor de temperatura en el suelo a gran profundidad. (Fotografía cortesía de la NASA)
Las colaboraciones eficaces permiten a los participantes descubrir qué funciona y qué no, qué puede modificarse para lograr un mejor rendimiento y cómo crear nuevas oportunidades para avanzar en la investigación. MDA, por ejemplo, está especializada en el diseño de actuadores personalizados. La empresa incorpora reductores, frenos y encoders de maxon en el actuador de ExoMars. Debido a la elevadísima precisión requerida a lo largo de todo el proceso de fabricación, MDA y maxon se asociaron para crear técnicas de ensamblaje especiales que incluían el registro de cada uno de los 4000 tornillos y su par de apriete dentro de la unidad. De las 70 unidades construidas, 12 despegarán con la misión ExoMars en 2022.
Otra colaboración eficaz que ha ayudado a mejorar las capacidades y oportunidades de los nuevos sistemas tuvo lugar con Flight Works, una empresa que ha revolucionado la propulsión aeroespacial utilizando motores eléctricos industriales ligeramente modificados, lo que permite realizar nuevas misiones a la Luna, Marte y más allá. Flight Works es líder en microbombas de alta densidad de potencia para los mercados comercial y aeroespacial (vehículos aéreos no tripulados y otros tipos de propulsión espacial). Las unidades son microbombas que funcionan eléctricamente y que producen densidades de potencia muy altas gracias a los motores industriales sin escobillas de maxon, modificados para hacer frente a las vibraciones e impactos del despegue, así como a entornos espaciales. Los productos de esta empresa son los responsables del aumento drástico de lanzamientos de CubeSats en la última década, como la misión Lunar Flashlight de la NASA/JPL.
La propulsión alimentada por bomba abre la vía a nuevas operaciones espaciales. Al introducir los motores EC planos y los motores industriales EC 4-pole de maxon, Flight Works es capaz de diseñar y fabricar bombas de propelente de 32 mm, bombas de hidracina de 22 mm y bombas criogénicas de LOX/metano. Estas microbombas permiten que los sistemas de propulsión alimentados por bomba funcionen en una amplia variedad de misiones, incluidas pequeñas naves que utilizan las bombas para múltiples tareas, como la propulsión, la gestión de fluidos y la refrigeración de la nave espacial, así como el repostaje en órbita y el mantenimiento, todo ello pensado para futuras operaciones de retorno de Marte.
Otra aplicación con la que los motores industriales semipersonalizados han llegado al espacio es el mecanismo internacional de atraque y acoplamiento (IBDM, por sus siglas en inglés), que se emplea para acoplar dos naves espaciales tripuladas, por ejemplo la Dream Chaser y la Estación Espacial Internacional. Las empresas comerciales también están integrando motores de maxon en naves como el SpaceX Cargo Dragon, que cuenta con diez motores EC 40 DC sin escobillas para girar los paneles solares, abrir la compuerta de navegación y bloquear el dispositivo de agarre.
Actuador electromecánico de bogie que incorpora un DCX 22L de maxon con un reductor GP 32HD y un encoder integrado para el motor de rueda de ExoMars
Tecnología para las misiones actuales
La tecnología es importante cuando el diseño debe superar sus propios límites para ofrecer una mayor precisión en los entornos más hostiles en los que los fallos son inadmisibles. Los diseños personalizados y semipersonalizados pueden ofrecer modificaciones mínimas para ofrecer un rendimiento mucho mayor.
Ahora, de camino a Marte, la misión Mars 2020 (sistema de recogida y manipulación de muestras) de la NASA/JPL utilizará un rover similar a Curiosity, pero con un paquete de instrumentos más grande y resistente. Su objetivo consiste en recoger y analizar muestras, seleccionar las mejores y dejarlas en la superficie de Marte. Otro rover será enviado para recoger las muestras y llevarlas a la Tierra más tarde. Los motores DC sin escobillas de maxon han sido personalizados y se utilizan para manipular las valiosas muestras de Marte, lo que incluye el cabezal de perforación que toma las muestras de suelo. A continuación, la muestra se introduce en un carrusel en el rover, donde se almacenada. También utiliza un motor de maxon en el pequeño brazo robótico que transporta la muestra a las estaciones de inspección visual, sellado y posicionamiento.
Al igual que las misiones experimentales anteriores, la carga de la misión Mars 2020 incluye algo que nunca se había intentado hasta ahora: el primer helicóptero, Ingenuity. Como un ejercicio de bajo coste para comprobar si el helicóptero puede funcionar en la atmósfera de Marte, es una de las misiones más revolucionarias hasta el momento. Ingenuity incorpora seis motores DC con escobillas (DCX 10S como actuadores del plato cíclico que ajustan el ángulo de ataque de los rotores) para controlar la dirección. El helicóptero dispone de dos rotores, cada uno de los cuales precisa tres motores, lo que suma un total de seis. Los motores son muy similares a los motores industriales estándar, pero incorporan modificaciones internas para hacer frente a las vibraciones e impactos del trayecto, así como para funcionar en la atmósfera de baja presión de Marte.
De cara a las futuras exploraciones del sistema solar, es una ventaja saber que los componentes industriales estándar pueden utilizarse en las naves, rovers y equipos de análisis que nos llevarán hasta allí. Con unas mínimas modificaciones, los componentes críticos como los motores y reductores ayudan a los científicos a forjar un futuro en el que será posible visitar otras lunas y planetas. Aprender en cada misión y aplicar conceptos similares a la industria en general ha ayudado a avanzar en el diseño de motores durante las últimas décadas. Los avances tecnológico es un proceso de pensamiento que obliga a los ingenieros a plantearse continuamente la pregunta «¿Qué más podemos conseguir?». A la hora de adaptarse a los nuevos entornos altos niveles de capacidad, las empresas pueden estar seguras de que no solo seguirán en la vanguardia, sino de que sus productos estándar también evolucionarán.
