Éxito del sistema ATHENA de propulsión iónica para satélites pequeños

En los últimos años, el sector de la propulsión espacial explora nuevos sistemas para otorgar movilidad a los satélites a través de la propulsión iónica, pues es más ligera y económica.

Ahora, por primera vez, una empresa española, Ienai Space, fundada en 2019, se introduce en el mercado gracias a su tecnología de propulsión desarrollada para pequeños satélites. Recientemente, la empresa recibió dos contratos con la Agencia Espacial Europea (ESA) para llevar la tecnología hacia su comercialización a finales de 2023.

El reconocimiento que ahora recibe Ienai Space con esos contratos y con el interés hacia ella despertado en el sector de la astronáutica se debe en buena parte al éxito de su tecnología logrado en el espacio. El 1 de octubre de 2022, Ienai Space, con sede en Leganés (Madrid), se convirtió en la primera empresa española en tener en órbita a la Tierra un sistema de propulsión, íntegramente diseñado en España; concretamente una versión experimental de su sistema ATHENA. El lanzamiento se hizo con un cohete Firefly Alpha, desarrollado por la empresa estadounidense Firefly Aerospace.

El lanzamiento puso en órbita dos satélites con pesos menores a 1 kilogramo.

El objetivo de esa primera misión de demostración era poner a prueba los propulsores en el entorno espacial, tras la extensa cualificación en tierra. En concreto, la misión buscaba demostrar la capacidad de alargar el tiempo en órbita de los satélites que, de no contar con sistemas de propulsión, habrían caído de nuevo a tierra debido a la fricción con la tenue atmósfera terrestre que aún se encuentra en órbita. Una vez finalizada la misión, es esta fricción la que se aprovecha para asegurar que el satélite vuelve a entrar en la tierra, evitando que se convierta en basura espacial.

ATHENA (“Adaptable THruster based on Electrospray powered by NAnotechnology”) es un sistema de propulsión iónica que puede embarcarse en prácticamente cualquier plataforma, ya que es completamente modular y escalable, en potencia de operación y en cantidad de propergol a bordo. La escalabilidad y su alta eficiencia son las principales diferencias, una tecnología basada en los ‘electrosprays’, que la separa de los sistemas de propulsión eléctrica basados en plasmas.

La tecnología de ‘electrospray’ desarrollada se fundamenta en la extracción y aceleración de los iones que forman los líquidos iónicos, mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre unos “emisores” y una rejilla extractora. La principal innovación de la empresa está relacionada con el diseño y la fabricación de estos “emisores”, para los cuales se utilizan técnicas de microfabricación. Se logra así mayor eficiencia de los motores. El diseño y los métodos de fabricación han sido patentados por Ienai Space, juntamente con el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB).

Distribución de los chips micromecanizados en una oblea de silicio. (Foto: IMB / CNM / CSIC)

“El objetivo de los motores ATHENA es el de ofrecer al mercado espacial un propulsor muy compacto y de baja potencia, pero altamente eficiente, capaz de integrarse en satélites de pequeño tamaño. Esto no ha sido posible hasta recientemente, debido a que los intentos de miniaturizar otras tecnologías más tradicionales no han tenido éxito; de ahí la necesidad de desarrollar una tecnología completamente nueva”, indica Daniel Pérez, CEO de la empresa Ienai Space.

Los fundadores de la empresa son Mick Wiijnen, Daniel Pérez Grande y Sara Correyero Plaza, los dos últimos antiguos alumnos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) donde obtuvieron su titulación de ingeniero aeronáutico en 2010 y 2015 respectivamente.

El desarrollo tecnológico plasmado por Ienai ha sido posible gracias a la transferencia de tecnología y conocimientos llevada a cabo por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España, en una colaboración que comenzó a finales de 2019.

“La colaboración consistió en la fabricación de las matrices de emisores con forma cónica y una altura de cientos de micras y, por otro lado, en demostrar la posibilidad de la nanoestructuración de esta superficie tridimensional para permitir el control del régimen de operación de los emisores, gracias al control del flujo de propelente a los mismos”, indica Borja Sepúlveda, investigador del Instituto de Microelectrónica de Barcelona.

Para la fabricación de los microconos emisores se aprovechó la amplia experiencia de la Sala Blanca del Instituto de Microelectrónica de Barcelona en procesos de micromecanización profunda de silicio por iones reactivos, lo que permitió generar estructuras con centenares de micras de altura. La nanoestructuración de la superficie 3D se realizó mediante la tecnología nanolitografía coloidal, que se había desarrollado previamente para dispositivos de electro-estimulación celular wireless, en una colaboración entre el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona. Este proceso de micro y nanofabricación dio lugar a una solicitud de patente internacional.

“La nanoestructuración de superficies tridimensionales y afiladas fue uno de los mayores retos, así como demostrar la capacidad de sintonizar la densidad de nanoestructuras en la superficie, que es esencial para controlar el tipo de emisión”, indica Sepúlveda.

En la Sala Blanca del Instituto de Microelectrónica de Barcelona, los resultados fueron buenos y, según aclara Roser Mas, ingeniera de proceso del citado instituto, “se consiguió un alto nivel de emisión iónica en el propulsor”.

En estos momentos, se sigue trabajando en la optimización del diseño de los chips emisores y en su protección para asegurar su máxima durabilidad, así como en explorar nuevos procesos de fabricación de cara a la eminente industrialización de la tecnología.

Una muestra de las buenas expectativas que está despertando últimamente Ienai Space la tenemos en la concesión que se le hizo del “Premio innovación aeronáutica 2022” del Colegio Oficial de Ingenieros Aeronáuticos de España (COIAE) en la categoría de pymes en la sexta edición de estos premios. El COIAE reconoce a la empresa su sistema de propulsión eficiente de satélites.

El premio para Ienai Space se concedió por su sistema de propulsión iónica instalable a bordo de pequeños satélites que les permite a estos cambiar de órbita, mantenerse más tiempo en órbita (prolongando así su tiempo de servicio), realizar maniobras anticolisión, y reentrar a la atmósfera terrestre justo al llegar al final de su vida útil (para poder cumplir así con los marcos regulatorios que buscan mitigar el creciente problema de la basura espacial).

La directora de operaciones y cofundadora de Ienai Space, Sara Correyero, también recibía en marzo de 2022 otro premio del COIAE, el de “TALENTO: ingenier@ joven del año 2022” (primera edición), por su relevante trayectoria profesional. Este galardón reconoce el talento de aquellos ingenieros aeronáuticos que, a pesar de su juventud, ya cosechan experiencia y proyectos destacables en los ámbitos profesional o académico. (Fuentes: IMB / CSIC / CNM / UPM)