¿Cómo se mantienen frescos y lubricados los motores de los satélites?

Solo hay un automóvil normal en el espacio , pero no tiene un motor de pistón; como señaló de manera muy útil la rotonda izquierda, es un Tesla, un vehículo eléctrico.

Sin embargo, incluso sin motores de pistón, hay partes móviles en el espacio que necesitan lubricación, a menudo partes de motores eléctricos. Hay un artículo de la NASA de 1994 que explora "las prácticas de tribología utilizadas en el espacio".

Tribología es una palabra que aprendí hace un minuto. Según Merriam-Webster, es el "estudio que se ocupa del diseño, la fricción, el desgaste y la lubricación de las superficies que interactúan en movimiento relativo (como en cojinetes o engranajes)" 1 , ^que es el núcleo de su pregunta.

Mi conclusión principal de hojear el documento es que hay una gran cantidad de lubricantes diferentes y que sí, todos deben reponerse para misiones más largas/más ciclos.

Las principales categorías son los lubricantes líquidos, incluidas las grasas, y los lubricantes sólidos; estos últimos se pueden dividir en lubricantes de película y lamelares (pequeñas partículas como el grafito o ciertos compuestos metálicos). Tanto los sólidos como los líquidos tienen sus (des)ventajas específicas en las extraordinarias condiciones del espacio. Citando del artículo:

Los lubricantes líquidos se reponen desde un depósito; si entiendo correctamente, algunos sistemas son pasivos, como una estructura similar a una esponja llena de líquido, mientras que otros son activos.

Los lubricantes sólidos posiblemente también se pueden reponer, por ejemplo, dejando que una bola en un cojinete roce contra un retenedor de un material compuesto que incluye el lubricante. Esa técnica fue "utilizada con un éxito limitado para lubricar los cojinetes de bolas en las turbobombas del transbordador espacial".

Esas turbobombas (para usar la palabra compuesta original) probablemente se encontraban entre los problemas de ingeniería mecánica más desafiantes en el Transbordador o en cualquier otro cohete. Necesitaron algunas revisiones antes de que fueran lo suficientemente confiables bajo una gran carga u otro tipo de estrés. Esta página web proporciona más detalles:

A estas temperaturas, y particularmente en presencia de oxígeno líquido, los lubricantes convencionales no funcionarán. En este rodamiento, las inserciones de Teflon(TM) rellenas de bronce en el separador de bolas del rodamiento proporcionan lubricación a través de un mecanismo llamado transferencia de película sólida. A medida que las bolas rozan las inserciones, limpian una fina película de teflón fabricada por DuPont, que luego se transfiere al punto de contacto de la pista de bolas.

"Hemos tenido un éxito tremendo, más allá de nuestras expectativas, con las bolas de nitruro de silicio en este rodamiento", dice John Price, director del programa. "El nitruro de silicio es más duro, más liviano y tiene una conductividad térmica más alta. Este diseño reduce todos los mecanismos que producen desgaste y también genera menos calor".

Ahora que aprendí cómo incrustar imágenes de Wikipedia, concluiré con una imagen de rodamientos de bolas de nitruro de silicio:

_{¹ La palabra fue acuñada no antes de 1966 por un solo ingeniero británico, Peter Jost , quien reconoció que lo que hasta entonces se abordaba desde diferentes ángulos era de hecho un tema coherente en sí mismo. Escribió un informe seminal sobre el impacto económico de la mala lubricación, The Jost Report . El concepto fue rápidamente reconocido, el gobierno británico fundó varias instituciones de investigación, fue nombrado Comandante de la Excelentísima Orden del Imperio Británico , y el resto es historia.}

Los satélites nunca usan motores de combustión interna como en los automóviles (obviamente, tienen motores de propulsión que requieren combustión para mantenerse en posición), en ellos, en su mayoría usan energía solar e incluso las sondas solares largas usan energía solar o energía nuclear (como el Voyager 1), cuando se bloquea la luz solar utilizan baterías que se cargarán con el exceso de energía generada por las celdas solares. La lubricación que se aplica en las naves espaciales no es como la que usamos en los coches y cajas de cambios, utilizan lubricantes como la Lubricación Hidrostática.y otros lubricantes sólidos, su viscosidad, factor de presión y todas las demás propiedades se prueban para adherirse al entorno espacial. (Se realizarán muchas pruebas en estos) Por lo tanto, no hay necesidad de revisión periódica. Acerca del mantenimiento de la temperatura de un satélite ver aquí

Hay algunos elementos aquí que vale la pena considerar. Parte de la historia tiene que ver con el propósito de los motores que puedes encontrar en un satélite o en un vehículo espacial. Mientras que la otra parte tiene que ver con cómo funcionan. En resumen, los motores en el espacio tienen menos partes móviles que requieren lubricación constante y tienden a usarse para algunas quemas rápidas de vez en cuando. Por el contrario, el motor de un vehículo terrestre tiende a funcionar constantemente y la fricción es un factor importante que debe superarse.

El tipo de motor del que habla en su pregunta es fundamentalmente muy diferente al tipo de motor que podría poner en un vehículo espacial .

En los automóviles y en la mayoría de los vehículos de la Tierra, tendemos a utilizar motores alternativos de combustión interna. Estos capturan la energía de una explosión y la convierten en un movimiento lineal de ida y vuelta (a través del movimiento de los pistones, arriba y abajo, o de lado a lado). Los pistones están conectados a un eje especial que hace girar el movimiento lineal. Luego, las partes giratorias empujan contra algo, como el suelo o el aire (en el caso de una hélice) para hacer que la cosa se mueva. Cada parte móvil del motor está, de alguna manera, rozando las partes a las que están unidas y luchando contra la fricción con cada acción. Además, todas esas explosiones están calentando todo el entorno, expandiendo todos los metales y, a su vez, aumentando la cantidad de fricción. En cierto punto, la fricción total se vuelve demasiado alta y todo puede agarrotarse. Como correctamente observas,

En el espacio no hay mucho contra lo que empujar. En su lugar, generalmente se utilizan propulsores de cohetes. Queman su combustible y expulsan el contenido calentado al espacio, lo que a su vez crea una fuerza de empuje en la dirección opuesta. Un cohete no tiene tantas partes mecánicas en movimiento, en comparación con el motor de combustión interna. No lucha contra la fricción para producir empuje.

Algunas personas han mencionado los motores eléctricos. Para rotar un satélite en su lugar, resulta que puede usar ruedas de reacción o controlar el giroscopio de impulso en lugar de propulsores. Al igual que en este dispositivo aquí . Estos utilizan el par generado al aplicar fuerza o cambiar la velocidad de una rueda giratoria, que se utiliza para cambiar la orientación del satélite. Hay muchos estilos diferentes de motores eléctricos, pero en general no requieren lubricación. Los motores eléctricos todavía generan calor, pero no tanto como un motor de combustión. Y para pequeños movimientos ocasionales, es posible que no se calienten lo suficiente como para justificar un sistema de enfriamiento dedicado.

Para un satélite se necesita algo que funcione en gravedad cero durante muchos años sin mantenimiento ni reparación. Por lo tanto, no se utilizan motores de pistón.

Para producir energía eléctrica las celdas solares son mucho mejores, solo requieren luz solar. Sin piezas móviles, sin vibraciones, sin lubricación, sin problemas de gravedad cero, sin refrigeración líquida, sin consumo de combustible y sin gases de escape. Fiabilidad probada por cientos de satélites.

Los requisitos de los motores (realmente motores en mi experiencia) en el espacio son muy diferentes de los requisitos de los motores de automóviles en tierra. Esto conduce a diseños muy diferentes y estrategias de lubricación muy diferentes. Muchos de los motores son de baja velocidad y baja carga, por lo que la lubricación no es un problema. Para un satélite geosíncrono, el motor que hace girar la matriz solar gira una vez al día. Para una misión de 15 años con menos de 6000 revoluciones en total, menos de lo que podría hacer su automóvil en un minuto. Todo está cuidadosamente equilibrado para que haya poca perturbación en la actitud, por lo que las cargas en el motor son muy pequeñas. Es posible que los motores que dirigen las antenas en un satélite de órbita baja necesiten girarlo varias veces en 90 minutos, pero aún así es muy lento en comparación con muchas situaciones terrestres.

Muchos satélites tienen ruedas de impulso o de reacción para el control de actitud que giran a miles de RPM. Tienen que hacer esto durante la vida útil del satélite sin intervención terrestre. Los que conocía tenían depósitos que alimentarían lentamente el lubricante a los rodamientos para reemplazar lo que se pierde. Se requiere mucha ingeniería cuidadosa para asegurar la confiabilidad del sistema. Los niveles de potencia son pequeños, por lo que la calefacción es un problema menor. Eliminar el calor es mucho más difícil sin la convección disponible.

La respuesta real es que es un problema muy diferente con soluciones muy diferentes.

Para condiciones de frío extremo como el telescopio WEBB, la mayor parte de la lubricación se proporciona con lubricantes de película seca, ya que cualquier aceite se congelaría.

Muchas de las respuestas aquí son fantásticas para abordar la pregunta real, pero vale la pena mencionar que a veces hay motores eléctricos en satélites y sondas espaciales que tienen un límite estricto de tiempo de ejecución antes de que tengan que permanecer inactivos para enfriarse.

Quizás el ejemplo más notable de esto no está en el espacio, sino en Marte. El dron Ingenuity que dejó el rover Perseverance solo puede volar durante unos tres minutos a la vez antes de tener que aterrizar para dejar que los motores se enfríen. En la delgada atmósfera marciana, los motores tienen que funcionar bastante rápido para obtener suficiente sustentación para despegar, y no hay suficiente flujo de aire para llevarse el calor producido por eso, por lo que los motores siguen calentándose más y más a medida que funcionan. Tienen disipadores de calor de berilio para extender el tiempo de ejecución, pero solo pueden hacer mucho antes de saturarse.

Este problema empeora en el verano marciano, cuando el aire se calienta y se adelgaza, lo que requiere velocidades de rotor más altas y un calentamiento del motor más rápido :

A esa velocidad de giro más rápida, el helicóptero puede volar durante solo 130 segundos a la vez en lugar de los 170 segundos que manejaba antes, sin correr el riesgo de que los motores se sobrecalienten.

En el espacio, generalmente no hay necesidad de ejecutar nada a ese tipo de velocidad, por lo que es un problema menor a pesar de que el espacio vacío es aún peor para el enfriamiento que una atmósfera muy delgada.