De Spacelab a Gateway: 40 años de módulos para personas en el espacio

Después de Spacelab llegó el laboratorio Columbus de la ESA, entre otros muchos módulos de la Estación Espacial Internacional (ISS) – el Nodo 2, el Nodo 3 y la Cúpula para observar la Tierra –, las naves espaciales de carga ATV y Cygnus, el módulo de servicio europeo del orbitador lunar Orion, módulos para la estación espacial privada Axiom y ahora elementos cruciales de la estación Gateway que orbitará alrededor de la Luna. 

El legado industrial de Spacelab es innegable. Las empresas involucradas han cambiado varias veces desde la década de 1970, pero las carcasas de presión se siguen mecanizando a partir de una aleación de aluminio - cobre 2219 de grado espacial en Turín, Italia, en unas instalaciones que hoy gestiona Thales Alenia Space.

En algunos casos, estas carcasas se integran in situ en Turín, como en el caso de los módulos del Gateway de la ESA. Para otras líneas de productos, como los ESM Orion, las salas de integración de Bremen en Alemania los dotan de los equipos necesarios para que sean aptos para el espacio, como se hizo con el Spacelab hace más de cuatro décadas. Hoy forman parte de las instalaciones de Airbus Defence and Space. 

Mantener el vacío controlado

Las carcasas de presión son un elemento fundamental del diseño de los módulos, ya que sirven para mantener controlado el vacío exterior. Están compuestas por chapas metálicas de unos pocos milímetros de espesor, perfiladas en forma de cilindro y delimitadas por extremos cónicos. Spacelab midió 6,7 metros de largo y 4,1 metros de diámetro, este último fijado por las dimensiones de la bahía de carga del transbordador en la que se asentaba. Columbus y los demás módulos de la ISS de fabricación europea tienen diámetros ligeramente superiores por la misma razón. 

En comparación, el módulo I-Hab (hábitat internacional) de la ESA para el Gateway tiene unos 8 metros de largo pero solo 3 metros de diámetro, la misma anchura que la carcasa de presión fabricada en Turín para el Cygnus que reabastece a la ISS. El otro módulo Gateway de la ESA, el módulo de reabastecimiento ESPRIT, tiene 6,4 metros de longitud y 4,6 metros de diámetro, aunque gran parte de su volumen lo ocupan los tanques de combustible, además de un túnel de presión con ventana por el que pueden pasar los astronautas, que tiene la misma longitud y diámetro que el I-Hab.

«Los elementos del Gateway podrían ser más pequeños que los módulos europeos anteriores, pero también deberían ser más resistentes», explica Joao Gandra, ingeniero de materiales y procesos de la ESA. «La gran diferencia es que, como con las últimas carcasas de presión europeas Axiom y Cygnus, ahora se sueldan mediante «soldadura por fricción», que ablanda los metales en lugar de fundirlos, aplicando fricción para unirlos. Si bien la soldadura tradicional puede generar tensiones en las juntas, esta técnica da como resultado soldaduras más resistentes y con un rendimiento mejorado ". 

«Hoy en día todos nuestros módulos se fabrican de este modo», añade Walter Cugno, vicepresidente de Exploración y Ciencia de Thales Alenia Space, que trabajó en Spacelab como ingeniero de garantía de productos. «Nuestra capacidad para suministrar elementos presurizados - desarrollada inicialmente en proyectos de la ESA, junto con acuerdos bilaterales entre la agencia espacial italiana ASI y la NASA para producir módulos de la ISS - es un activo clave para todas las iniciativas de exploración humana, en órbita terrestre baja, en la Luna y, eventualmente, en Marte». 

El I-Hab servirá como alojamiento a bordo del Gateway multimódulo para tripulaciones de cuatro personas durante un máximo de 30 días cada vez.

Mark Wagner, al frente del equipo de verificación y montaje, integración y pruebas de la plataforma orbital lunar Gateway de la ESA, está trabajando para garantizar que el módulo esté listo para el servicio y para un lanzamiento actualmente programado para 2028. 

Trabajar con los socios de Gateway

Mark explica: «Este es solo un módulo que forma parte de una estación multimódulo, por lo que tenemos que verificar que I-Hab sea compatible con todas las interfaces acordadas con nuestras agencias asociadas, como la NASA, la Agencia Espacial Canadiense (CSA) y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA). Además, nuestros calendarios de desarrollo no son paralelos: El módulo HALO (puesto avanzado de logística y habitabilidad) de la NASA, cuya carcasa de presión también procede de Turín, y el elemento de potencia y propulsión (PPE) deben volar juntos primero. Debemos asegurarnos de que todas las interfaces y funciones entre módulos sean compatibles con el resto del programa internacional Gateway. 

«Por ejemplo, el sistema de control ambiental y soporte vital del I-Hab, que nos suministra JAXA, tiene que trabajar conjuntamente con su equivalente en HALO. El sistema de control térmico del módulo I-Hab está interconectado mediante intercambiadores de calor con los demás módulos y vehículos visitantes y da servicio a todo el puesto avanzado Gateway para evacuar las cargas térmicas al espacio profundo a través de radiadores externos bombeados. Estos y otros sistemas combinados deben funcionar a la perfección».

Cuartos cerrados

El tamaño relativamente pequeño del I-Hab se debió a las limitaciones de masa del lanzamiento. Los diseñadores del módulo tuvieron que superar el reto de encajar todos los sistemas necesarios en solo 10 metros cúbicos de volumen habitable, incluidos equipos científicos, instalaciones de cocina, con una mesa de cocina extraíble, almacenes, soporte vital e incluso cuatro cabinas privadas para dormir. 

«Los módulos anteriores de la ISS, como Spacelab, se diseñaron con una orientación arriba y abajo solo porque a los astronautas les resulta más fácil trabajar así. Con I-Hab no podemos permitirnos ese lujo, porque tenemos que aprovechar todo el espacio disponible de la manera más eficiente posible, cumpliendo al mismo tiempo todos los requisitos relacionados con el factor humano y el rendimiento de la tripulación".

Sin embargo, no habrá baño por el momento; la tripulación tendrá que volver a Orion para ello. Y las primeras expediciones tendrán que llevar consigo sus propios consumibles, una de las razones por las que las misiones se limitarán a 30 días cada vez, además de por los altos niveles de radiación del espacio profundo. Por lo tanto, durante la mayor parte de cada año, la Gateway no tendrá tripulación y deberá ser supervisada en consecuencia. 

Pruebas realizadas por astronautas

Para comprobar que I-Hab es un lugar adecuado para vivir y trabajar, el equipo de desarrollo del módulo ha recurrido a los astronautas veteranos de la ESA, como Samantha Cristoferreti, Alexander Gerst y Luca Parmitano, para realizar las primeras evaluaciones del diseño. También se llevarán a cabo campañas de pruebas con personas en un prototipo representativo de I-Hab instalado en Thales Alenia en Turín, se utilizará la realidad virtual y, en el futuro, se combinarán ambas en forma de aplicaciones de realidad aumentada.

«Queremos aprovechar la experiencia que han adquirido trabajando en órbita a bordo de la ISS», añade Mark. «Están ayudando a nuestro equipo de desarrollo a comprobar todo tipo de variables, como la calidad de la iluminación, la legibilidad de las etiquetas, la disposición de las salidas de emergencia, incluso los compartimentos de la tripulación: hasta qué punto son adecuados para la intimidad y el sueño». 

I-Hab buscará el mismo entorno de trabajo diseñado para el Spacelab y los módulos de la ISS, con una temperatura de 22 °C y una humedad del 50 %, aunque la presión atmosférica será de 0,7 atmósferas a diferencia de la presión del nivel del mar que prevalece en la Estación, lo que ayudará a reducir la masa.

Mark añade: «A pesar de ser más pequeño, I-Hab será más inclusivo en el sentido de que lo estamos diseñando para alojar al 99% de astronautas, lo que significa que casi todos los astronautas desde las mujeres más pequeñas a los hombres más corpulentos podrán manejar los equipos con facilidad y comodidad, como abrir escotillas o desconectar rápidamente líneas de fluidos, en comparación con una cifra equivalente del 95 % para la ISS». 

El desarrollo de I-Hab ha superado la revisión preliminar de diseño (PDR) y actualmente se encuentra en su fase de diseño detallado. En cuanto al segundo módulo del Gateway suministrado por la ESA, el denominado ERM (módulo de reabastecimiento de combustible de ESPRIT), se está ultimando el acuerdo contractual y la PDR está prevista en breve.

Este último ejemplo de desarrollo europeo de módulos tripulados tiene una vida útil de diseño de 15 años, aunque a juzgar por el ejemplo de la ISS es probable que siga funcionando durante mucho más tiempo todavía.

Según la arquitectura actual de la plataforma orbital lunar Gateway, más de la mitad de esta inspiradora estación espacial será de origen europeo. 

Y parece probable que el modelo básico europeo del módulo inspirado en el Spacelab se aventure aún más al espacio, con un contrato firmado recientemente entre ASI y Thales Alenia Space para diseñar módulos para la superficie lunar, que formarán parte de una futura base lunar.