La demanda de ancho de banda de internet sigue en aumento, mientras que el ancho de banda terrestre ha respondido con lentitud. Esto se debe en parte a que, desde un punto de vista económico, no es viable atender a cerca de la mitad de la población mundial. No obstante, se trata de una iniciativa importante pues lograr que la banda ancha sea accesible de forma generalizada para los segmentos sociales peor atendidos reduce la pobreza, mejora los niveles de vida y es una de las claves del crecimiento económico.
El ancho de banda tendrá que multiplicarse al menos por 20 para cubrir la demanda de internet en todo el mundo. Será necesario desplegar más de 100.000 satélites nuevos en los diez próximos años con el fin de lograr este objetivo y las soluciones de potencia de alta densidad formarán parte del diseño de satélites LEO y MEO.
Allí donde no llega la banda ancha terrestre, las comunicaciones por satélite están preparadas para resolver este problema. Los proveedores y OEM de comunicaciones por satélite tratan de desarrollar productos que aprovechen estas excelente oportunidad de crecimiento. Los esfuerzos de empresas como Boeing, que suministra satélites al proveedor de servicios europeo SES para su constelación O3b (other 3 billion) y para SpaceX, que con su constelación Starlink en rápido crecimiento están a la vanguardia para ofrecer igualdad de oportunidades a miles de millones de personas.
Para que esta oportunidad social y de mercado se haga realidad, los proveedores y OEM de comunicaciones por satélite tienen previsto desplegar la capacidad suficiente como para multiplicar al menos por 20 el ancho de banda total durante los cinco próximos años.[b] Boeing, OneWeb, Viasat, SpaceX y otros tienen previsto sumar más de 100.000 satélites en los diez próximos años[c] y todos ellos tratan de jugar un importante papel en la nueva carrera espacial.
Para conseguirlo, la industria está aplicando un enorme cambio de paradigma en el diseño de sistemas de satélites con el fin de obtener un éxito significativo, así como una gran oportunidad para introducir soluciones innovadoras y nuevas empresas que aprovechen este auge.
Un elemento fundamental para resolver el problema en su conjunto pasa por resolver el problema de la alimentación. Las nuevas soluciones destinadas a las comunicaciones por satélite en el espacio exigen un procesamiento de alto rendimiento que, a su vez, consume más. Las limitaciones de espacio y peso conceden más relevancia, por tanto, a las soluciones de alimentación avanzadas, de alta densidad y alta eficiencia, que permitan obtener estos avanzados sistemas de comunicaciones.
Claves de la competencia para los nuevos OEM y proveedores de servicios para satélites
Para competir con las soluciones terrestres y captar la cuota prevista de crecimiento del ancho de banda de internet durante los cinco a diez próximos años, las soluciones espaciales deben ser competitivas en capacidad, cobertura, latencia y coste. Para ser competitivas, la estrategia clave en la que han convergido las empresas del llamado Nuevo Espacio es el despliegue de un gran número de satélites más pequeños y conectados en constelaciones LEO (low-earth-orbit) y MEO (medium-earth-orbit).
El despliegue de centenares o miles de satélites en órbitas más bajas supone algunas dificultades significativas a los arquitectos y desarrolladores de sistemas. El coste de un satélite, incluido el coste del lanzamiento, se ha de reducir al menos en un orden de magnitud si se compara con uno geoestacionario (GEO) y con los satélites del espacio profundo para que esta solución sea viable económicamente.[c] Para lograr esta reducción de costes necesitan incrementar el rendimiento por satélite y disminuir tanto el tamaño como el peso. Al mismo tiempo, el número de satélites que se pueden desplegar es finito y restringido en función de la asignación establecida por los organismos internacionales, por lo que existe un incentivo aún mayor de alcanzar el máximo rendimiento de cada satélite. Estos requisitos diametralmente opuestos, que pasan por reducir el tamaño y el coste de los satélites y al mismo tiempo aumentar sus prestaciones, junto con la menor exposición a las radiaciones en las órbitas más bajas, establecen varios criterios de diseño que difieren de las clásicas aplicaciones espaciales.
Criterios y requisitos de diseño para el Nuevo Espacio
Una manera de abordar este problema de diseño por parte de los desarrolladores ha consistido en utilizar capacidades de procesamiento a bordo cada vez más sofisticadas. El uso de FPGA y ASIC de última generación con niveles de integración muy inferiores a una micra y exigentes requisitos de alimentación a baja tensión y alta corriente, se ha hecho habitual para obtener las máximas prestaciones en el menor espacio posible.[d] La necesidad de soluciones más avanzadas también determina la duración de la misión ya que, a medida que mejora la tecnología, las empresas tendrán que cambiar los satélites con más rapidez para aprovechar las últimas innovaciones.
La duración típica de una misión LEO y el plazo óptimo para actualizar la tecnología es de tres a siete años. Esta propuesta puede ser cara y, dado que solo se obtendrá la aprobación para un determinado número de satélites, las empresas tendrán que sustituirlos en lugar de añadir más. La duración más corta de la misión también exige replantear el plazo de comercialización, pasando de los siete a diez años que generalmente suelen durar los ciclos de desarrollo y producción a la mitad o menos. La buena noticia es que las órbitas más bajas dentro del cinturón de Van Allen, junto con la menor duración de las misiones, disminuye de forma significativa la protección necesaria frente a la radiación. Esto a su vez permite utilizar productos comerciales más sofisticados y menos costosos con los niveles más bajos de tolerancia a la radiación exigidos para la misión.
Los requisitos del plazo de comercialización impulsan otros cambios. Los desarrolladores tratan de desarrollar componentes modulares de tipo comercial para aumentar la fiabilidad, disminuir el tiempo de homologación y test, así como para permitir unos ciclos de diseño mucho más rápidos y previsibles. Estos requisitos, junto con el ingente volumen de satélites que necesitan producir los OEM suponen una gran carga sobre la capacidad de fabricación. Los componentes modulares se suelen montar en entornos de fabricación modernos y son robustos y escalables a nivel comercial, lo cual contrasta con los componentes antiguos de grado espacial, que se suelen producir en pequeñas cantidades y se destinan a misiones que requieren un menor número de satélites con un mayor grado de resistencia frente a la radiación.
Redes de alimentación mejoradas para el Nuevo Espacio
De forma similar a otros elementos en sistemas de satélites, la mayoría de las soluciones CC/CC existentes de grado espacial, tanto aisladas como no aisladas, fueron desarrolladas para misiones en el espacio más profundo y tienen un alto grado de fiabilidad y tolerancia a la radiación. Como tales, no cubren las necesidades de densidad y eficiencia de las aplicaciones del Nuevo Espacio. Estas soluciones de máxima resistencia frente a la radiación exigen la fabricación de encapsulados herméticos y la producción de pequeñas cantidades con unos ciclos extremadamente largos a causa del elevado porcentaje de trabajo manual y de los numerosos ensayos. Se necesita una red de alimentación de otro tipo para cumplir los requisitos en cuanto a prestaciones de las aplicaciones del Nuevo Espacio, todo ello proporcionando la tolerancia adecuada ante la radiación.
Para lograr estas mejoras de tamaño, peso y coste por medio de procesadores de comunicaciones avanzados, así como acortando el plazo de comercialización, es imprescindible una red de alimentación avanzada y capaz de suministrar altas corrientes a bajas tensiones por medio de componentes densos y eficientes de tipo modular. Los componentes de potencia modulares y compactos disminuirán significativamente el tamaño y el peso de la red de alimentación de tres maneras:
- Tienen una mayor densidad de potencia.
2. Reducen el tamaño de la red de alimentación e incrementan la eficiencia, disminuyendo así la superficie ocupada en la placa de circuito impreso con su alto contenido en cobre.
3. Necesitan menos filtrado adicional.
En general, mejorar la eficiencia y la densidad de la red de alimentación libera tamaño y peso que se pueden destinar a la carga útil y los subsistemas de los satélites.
Plazo de comercialización más rápido, máximas prestaciones, menos riesgo y coste
Los módulos de potencia tolerantes a la radiación de Vicor permiten disponer de la red de alimentación ideal para los actuales satélites LEO y MEO, proporcionando para ello una conversión de tensión de alta eficiencia, alta densidad y bajo ruido para alimentar ASIC y procesadores destinados a la comunicación de redes avanzadas. La fiabilidad aumenta con la topología de doble etapa de potencia, que junto a los exhaustivos ensayos de homologación permiten a nuestros módulos cumplir los requisitos de radiación TID y SEE en la misión.
Las soluciones modulares de Vicor convierten la potencia entre la fuente y la carga, permitiendo así que los desarrolladores reduzcan el plazo de comercialización, el riesgo y el coste, todo ello aprovechando al máximo el espacio en la placa. El presente producto de Vicor es capaz de alimentar la carga de un procesador de 0,8V/150A y 3,3V/50A desde un bus estándar de 100V con eficiencias de hasta el 81%. Los módulos de próxima generación, que se encuentran en fase de desarrollo, mejorarán los niveles de eficiencia en su conjunto y ofrecerán soluciones de buses alternativos.
Entre las ventajas diferenciales que ofrecen los nuevos módulos de potencia tolerantes a la radiación de Vicor se halla una mejora de la densidad de potencia en un factor 3 a 5 respecto a las mejores soluciones disponibles en la actualidad, así como una reducción del 50% en las pérdidas de potencia para aplicaciones basadas en un bus de 100V. La implementación de una solución tolerante a la radiación de Vicor disminuirá sustancialmente el espacio y el peso de la placa que requiere la red de alimentación con los mejores niveles de densidad, eficiencia y firma acústica dentro de su categoría.
Gracias a su larga experiencia como líder del mercado, tanto en soluciones comerciales para el sector aeroespacial como destinadas a la alimentación de procesadores de altas prestaciones, Vicor utiliza encapsulados avanzados y técnicas de montaje SM-ChiP™ estándar en grandes cantidades. Todos los componentes se fabrican en una planta de EE.UU. con una capacidad de fabricación sólida y escalable hasta grandes cantidades, por lo que es ideal para los retos actuales de LEO y MEO.
Rob Russell, Vicepresidente de Soluciones para Satélites, Vicor
