Materiales Espaciales, Desgasificación y Oxígeno Atómico

Según el estándar PocketQube Issue 1 (cláusulas PQ-Mech-01 a PQ-Mech-07), un cubo 1P mide 50,0 ± 0,1 mm y se acopla al desplegador únicamente mediante una placa base deslizante de 58,0 × 64,0 × 1,6 mm (128 mm de longitud en 2P y 192 mm en 3P) sujeta a lo largo de dos franjas laterales de 2 mm (256 mm² de apoyo). Bajo una carga cuasiestática de 20 g, una unidad 1P de 250 g ejerce 49 N —una presión media de apoyo de apenas 0,19 MPa, más de dos órdenes de magnitud inferior al límite elástico—, por lo que la placa es crítica por interfaz y no por resistencia.

El temple metalúrgico define la resistencia a la corrosión intergranular bajo tensión (SCC) conforme a ECSS-Q-ST-70-36C. Todas las aleaciones forjadas serie 6000 Al–Mg–Si —incluidas Al 6061-T6 (ρ = 2,70 g/cm³, E = 68,9 GPa, σ_y = 276 MPa, k = 167 W/(m·K)) y Al 6082-T6 (σ_y = 260 MPa, k = 172 W/(m·K))— figuran en la Clase 1 de alta resistencia (Tabla 5-1). Por el contrario, el temple pico Al 7075-T6 (σ_y = 503 MPa) cae en la Tabla 5-3 de baja resistencia en dirección transversal corta y exige justificación formal de SCC, mientras que el sobreenvejecido 7075-T73 o T7351 (σ_y = 435 MPa, penalización del 10–15 %) restablece la Clase 1.

Al estar fijado el espesor de ranura en 1,6 mm (5,94 cm³ macizos), la masa de la placa escala solo con la densidad: 11,0 g en FR-4 (rigidez a flexión D = 7,6 N·m), 16,0 g en Al 6061-T6 (D = 26,4 N·m, el 6,4 % del presupuesto de 250 g), 16,7 g en Al 7075-T73, 26,3 g en Ti-6Al-4V (ρ = 4,43 g/cm³) y 45,4 g en acero 17-7PH. Aunque el FR-4 ahorra 5 g y lidera en índice de resistencia de panel libre σ_f^(1/2)/ρ, su rigidez 3,5 veces menor y la fluencia de la resina favorecen al Al 6061-T6, mientras que el AlSi10Mg por fusión láser (σ_y = 233–270 MPa) carece aún de vía simplificada en ECSS-Q-ST-70-80C por debajo de 100 g.

En aire terrestre, los óxidos nativos y las capas adsorbidas impiden el enlace metálico entre asperezas en contacto. Durante la vibración del lanzamiento, el microdeslizamiento oscilatorio (fretting) rompe esas películas y, por debajo de ~1 Pa en vacío orbital, el óxido no puede regenerarse, soldando en frío las asperezas limpias a temperatura ambiente. En ensayos normalizados (ESA STM-279), pares idénticos de plata, cobre y acero 17-7PH superaron el límite de adhesión de 12.000 mN, y un recubrimiento de MoS₂ sobre 17-7PH contra Ti-6Al-4V falló tras unos 40 ciclos.

Para eliminar el contacto metal-metal dentro de desplegadores P-POD, ISIPOD, QuadPack y AlbaPod, tanto CDS Rev. 14.1 como la cláusula PQ-Mat-03 exigen anodizado duro MIL-A-8625F Tipo III (espesor de plano típico de 25–50 µm dentro de 25–75 µm nominales y rugosidad Ra ≤ 1,6 µm). Esta capa cerámica porosa de Al₂O₃ crecida en ácido sulfúrico frío evita la adhesión, pero introduce cinco efectos de diseño: crecimiento exterior del ~50 % del espesor (~25 µm por cara, consumiendo 50 µm de la banda de 58,0 ± 0,1 mm si no se mecaniza bajo medida), menor dureza en AlSi10Mg impreso (~280 HV máx.), caída del 50–62 % en fatiga de alto número de ciclos en Al 6082, control de desgasificación si lleva PTFE y aislamiento eléctrico del chasis.

La soldadura en frío también condiciona los pestillos no pirotécnicos de antena (PQ-Gen-02). Al enrollar una cinta UHF de cuarto de onda de 170 mm y espesor t = 0,10 mm sobre un núcleo de 3 mm, la deformación exterior alcanza ε = t/(2R_h) = 1,67 %, admisible en la meseta recuperable del 4,0 % del NiTi superelástico (que almacena 0,20 J a −20 °C y 0,42 J a 25 °C), mientras que el acero para muelles (límite 0,6 %) debe adelgazarse a 0,036 mm y guarda solo 0,04 J. Como 1 N de adhesión a lo largo de 170 mm absorbe 0,17 J (el 87 % de la energía del NiTi a −20 °C), se recomiendan contactos disímiles o anodizados y liberación redundante con hilo NiTi de una vía de 0,15 mm (0,23 J a 1 W en 0,23 s) más hilo térmico UHMWPE.

Dado que un PocketQube 1P de 250 g posee una constante térmica global τ_th ≈ 56 minutos —casi la mitad de los 104 minutos de un CubeSat 1U—, su temperatura sigue de cerca el ciclo sol/eclipse de 95,1 minutos y acumula ≈5.500 ciclos térmicos al año. Los modelos globales predicen excursiones de 30–37 K por eclipse en 1P (frente a 16–23 K en 1U), mientras que los paneles solares exteriores débilmente acoplados oscilan aún más (+15 °C a −26 °C simulados en SMOG-1 y hasta 75 K registrados en el 3P Delfi-PQ).

Estas excursiones generan deformación cortante cíclica Δγ en uniones soldadas rígidas sin patillas debido al desajuste de dilatación térmica (CTE): los sustratos de germanio de células solares de triple unión dilatan a ~6 ppm/K y los encapsulados cerámicos a 6,5–7 ppm/K, frente a 14–17 ppm/K en el plano del FR-4 (50–70 ppm/K en espesor), 17 ppm/K en cobre y 23,6 ppm/K en Al 6061-T6. El cribado termomecánico sitúa la vida de uniones rígidas Ge-sobre-FR-4 cerca de ~5 × 10³ ciclos (~1 año en LEO), lo que exige adhesivos de silicona flexibles, interconexiones elásticas y aleaciones Sn–Pb eutécticas o desauradas para evitar whiskers de estaño puro, peste del estaño (<13,2 °C) y fases frágiles AuSn₄.

Los laminados poliméricos, adhesivos, aislamientos e impresiones aditivas (PEEK, Windform XT 2.0 o ULTEM 9085 en FDM, que pierde ~40 % de tracción en el eje Z de impresión) deben superar el ensayo de desgasificación en vacío a 125 °C durante 24 h bajo <7 × 10⁻³ Pa con colector a 25 °C: Pérdida Total de Masa TML ≤ 1,00 % según ASTM E595 (o Pérdida de Masa Recuperada RML = TML − WVR ≤ 1,00 % bajo ECSS-Q-ST-70-02C en poliamidas y aramidas higroscópicas) y Material Condensable Volátil CVCM ≤ 0,10 %, evitando empañar vidrios solares u ópticas vecinas en el desplegador.

La fotodisociación ultravioleta solar del O₂ molecular convierte al oxígeno monoatómico (AO) en la especie neutra dominante entre 200 y 600 km. A la velocidad orbital circular de v ≈ 7,6 km/s, los impactos frontales (ram) aportan una energía cinética de traslación ½·m_O·v² ≈ 4,5 eV por átomo —suficiente para romper enlaces covalentes C–C y C–H y transformar superficies expuestas de poliimida o hidrocarburos en productos volátiles CO y CO₂.

En el modelo termosférico del repositorio (lib/physics/atomic-oxygen.ts), la densidad numérica decae exponencialmente respecto a 400 km según n_O(h) = n_400 · exp(−(h − 400)/H_AO), con n_400 = 1,2×10⁸ · exp((F10.7 − 120)/85) átomos/cm³ y altura de escala H_AO = 46 + 0,14·(F10.7 − 70) km. Un cuerpo convexo en rotación aleatoria intercepta un cuarto del flujo frontal fijo (f_ram = 0,25), mientras que una cara orientada permanentemente al vector velocidad recibe f_ram = 1,0; la profundidad de recesión d es el producto de la fluencia acumulada F por el rendimiento volumétrico de erosión E_y.

Los rendimientos medidos en MISSE-2 PEACE abarcan más de dos órdenes de magnitud. El Kapton HN sin recubrimiento (E_y = 3,00 × 10⁻²⁴ cm³/átomo, ρ = 1,42 g/cm³) y los carretes estructurales de PEEK (2,99 × 10⁻²⁴ cm³/átomo; ~60 µm/año en orientación frontal ISS) se erosionan con rapidez bajo 450 km, y la matriz epoxi del FR-4 (2,1 × 10⁻²⁴ cm³/átomo) deja expuestas las fibras de vidrio E. Los fluoropolímeros FEP/PTFE bajan a 0,20 × 10⁻²⁴ cm³/átomo (aunque la sinergia VUV + AO fragiliza la superficie), y una barrera de sílice SiOx de 130 nm sobre Kapton reduce el rendimiento efectivo a 0,02 × 10⁻²⁴ cm³/átomo, recortando la erosión en >98 % fuera de microdefectos.