En una era en la que la industria espacial experimenta una expansión sin precedentes y el número de satélites en órbita crece a una velocidad exponencial, la cuestión de la sostenibilidad de las tecnologías espaciales deja de ser solo un concepto futurista y se convierte en una necesidad. Mientras que las miradas del público a menudo se dirigen a los espectaculares lanzamientos de cohetes, la verdadera revolución tiene lugar en el silencio de los laboratorios, a nivel microscópico de los componentes que mantienen a esos satélites con vida. En el centro de esa revolución silenciosa se encuentra un componente clave de todo sistema espacial: la célula solar.

Desde hace décadas, las células solares multiunión III-V (multi-junction) de alta eficiencia representan el estándar de oro para la alimentación de satélites. Su eficiencia superior y extraordinaria resistencia a las condiciones extremas de radiación en el espacio las hacen insustituibles. Sin embargo, detrás de esos rendimientos se esconde un "sucio" secreto: su producción es extremadamente exigente en recursos, intensiva en energía y genera cantidades significativas de residuos químicos. Tal práctica entra en conflicto directo con los nuevos y ambiciosos objetivos de la iniciativa "Green Space" y la tendencia general de sostenibilidad en la tecnología.

Como respuesta a este desafío, un equipo de expertos del instituto alemán Fraunhofer ISE, con un fuerte apoyo de la Agencia Espacial Europea (ESA) a través de su programa "Discovery & Preparation", está desarrollando un enfoque innovador para la microfabricación. Su objetivo es radical: reemplazar los procesos tradicionales y costosos con un nuevo método "mask-and-plate" que promete una transformación de la forma en que producimos energía para el espacio.

Dominio de la tecnología III-V y su precio

Ya desde finales de la década de 1990, las células fotovoltaicas basadas en semiconductores III-V dominan soberanamente el sector espacial. A diferencia de los paneles de silicio que vemos en los techos de las casas, estas células utilizan combinaciones complejas de elementos del tercer y quinto grupo de la tabla periódica de los elementos. La razón de su dominio radica en la física: son capaces de convertir un porcentaje significativamente mayor de luz solar en energía eléctrica y, lo que es aún más importante, pueden sobrevivir al bombardeo por partículas de alta energía en órbita sin una pérdida drástica de rendimiento.

Estos dispositivos se producen mediante el proceso de epitaxia: el crecimiento preciso de capas semiconductoras extremadamente delgadas sobre un sustrato de germanio (Ge). Imagínelo como apilar capas de pastel a nivel atómico, donde cada capa debe ser perfecta. Después del crecimiento de las capas, sigue la fase de producción de las propias células. Aunque este enfoque es tecnológicamente maduro y compatible con las duras condiciones de vacío y temperaturas extremas, conlleva un alto precio, no solo financiero, sino también ecológico.

El consumo intensivo de recursos se deriva de tres factores clave que están profundamente arraigados en la práctica industrial actual:

• Dependencia del germanio: Los sustratos de germanio son raros y caros, y su procesamiento requiere una energía significativa.


• Crecimiento epitaxial: El propio proceso de creación de capas consume enormes cantidades de energía para mantener las condiciones necesarias de altas temperaturas y vacío.


• Microfabricación: El acabado incluye fotolitografía y evaporación de metal (metal evaporation). Estos pasos son cuellos de botella de la producción: son lentos, caros e ineficientes energéticamente.

El desafío: ¿Cómo conciliar eficiencia y sostenibilidad?

Mientras que en la Tierra la producción de células solares de silicio se ha desarrollado en una industria altamente optimizada que cuida el aprovechamiento de materiales, estos procesos no pueden simplemente copiarse para las necesidades espaciales. Los materiales y técnicas que funcionan en condiciones suaves en la Tierra a menudo fallarían en el entorno despiadado del espacio, donde reinan drásticas oscilaciones de temperatura y radiación cósmica. Por lo tanto, la mera adaptación de tecnologías terrestres no es una opción.

Los investigadores ya han logrado cierto progreso en el área de la reutilización de sustratos y procesos epitaxiales más eficientes. Sin embargo, el tercer pilar, la microfabricación, permaneció en gran medida intacto por las innovaciones, hasta ahora. La fotolitografía tradicional, el proceso de transferencia de patrones geométricos a un sustrato mediante luz, requiere el uso de fotorresinas, reveladores y disolventes, creando residuos líquidos tóxicos.

Precisamente aquí entra el equipo del instituto Fraunhofer ISE con una idea revolucionaria que fue presentada originalmente a través del canal de la ESA "Open Discovery Ideas Channel" (OSIP). Su solución, llamada "AlternateSpace", tiene el potencial de redefinir los estándares industriales.

Impresión de inyección de tinta: De impresoras de oficina a laboratorios espaciales

El núcleo de la innovación radica en el abandono de la fotolitografía en favor de una tecnología que la mayoría de nosotros asociamos con la impresión de documentos o fotos: la impresión de inyección de tinta (inkjet). Pero, aquí no se trata de tinta ordinaria. El equipo de investigación desarrolló un método que utiliza tintas especializadas (hotmelt inks) como máscara para el procesamiento posterior.

Este enfoque, conocido como "mask-and-plate", trae una serie de ventajas clave que abordan directamente los problemas de sostenibilidad:

Principalmente, el uso de tintas "de fusión en caliente" (hotmelt inks) elimina la necesidad de materiales tóxicos y fotoactivos que son inevitables en la fotolitografía. La tinta se aplica directamente sobre la superficie de la célula en un patrón precisamente controlado. Dado que se trata de un proceso aditivo (el material se agrega solo donde se necesita), la cantidad de residuos se reduce drásticamente.

Además, este método elimina la necesidad de pasos de revelado químico húmedo (wet-chemical development). En la producción clásica, después de iluminar la fotorresina, es necesario eliminar químicamente las partes innecesarias, lo que crea cantidades significativas de residuos peligrosos. La impresión de inyección de tinta simplemente salta ese paso, simplificando significativamente la cadena de producción y reduciendo la huella ecológica de la fábrica.

Revolución en la metalización: Galvanización en lugar de evaporación

El segundo elemento clave de esta innovación se refiere a la forma en que se crean los contactos metálicos en la célula solar. En el proceso convencional se utiliza la evaporación de metal en vacío, un proceso que consume mucha energía y materiales porque el metal se deposita en toda la superficie, y luego el exceso se elimina (proceso lift-off).

El nuevo enfoque de Fraunhofer ISE reemplaza la evaporación con un proceso de galvanización (electroplating). Aquí, el metal se deposita electroquímicamente exclusivamente en áreas donde el material semiconductor no está cubierto por tinta. Esto significa que no hay desperdicio de metales preciosos y no hay necesidad de eliminación posterior del exceso de material.

Sin embargo, el camino hacia esta solución no fue simple. Requirió una extensa optimización de cada parámetro. Los investigadores tuvieron que probar diferentes tipos de tintas y ajustar variables como la resolución de impresión y la temperatura para lograr aberturas fiables y microscópicamente pequeñas para los contactos. La compatibilidad química de la máscara fue un punto crítico; tenía que resistir diferentes electrolitos, temperaturas y valores de pH durante el proceso de galvanización sin degradación.

Búsqueda del metal perfecto: Níquel-Fósforo

Un desafío especial lo presentó la propia metalización. Para aplicaciones espaciales, los materiales no deben ser ferromagnéticos porque podrían interferir con el campo magnético de la Tierra (u otros cuerpos) y causar rotaciones no deseadas o perturbaciones en la navegación de los satélites. El níquel estándar, que a menudo se usa en electrónica, es un material magnético.

Por lo tanto, el equipo exploró e implementó con éxito níquel-fósforo (NiP) como una alternativa no ferromagnética. Este material sirve como barrera y capa adhesiva. El diseño final del patrón incluye contactos frontales de plata aplicados sobre una capa de níquel-fósforo. Las pruebas han demostrado que esta combinación no solo es eléctricamente eficiente, sino también completamente compatible con los requisitos extremos del entorno espacial.

Resultados esperados y mirada al futuro

Después de definir una ruta de proceso completa que integra todos los pasos recientemente desarrollados, desde la impresión de inyección de tinta de la máscara hasta la galvanización selectiva, el proyecto entra en la fase final de demostración. Según los anuncios del equipo, se espera una célula fotovoltaica completamente funcional producida sin fotolitografía, con contactos metálicos aplicados por galvanización compatible para el espacio, como la corona de este ciclo de investigación.

Este avance tecnológico llega en un momento clave, hoy, 05 de diciembre de 2025, cuando la industria espacial se encuentra bajo una presión cada vez mayor para reducir costos y aumentar la sostenibilidad. Las constelaciones masivas de satélites en órbita baja requieren miles de paneles solares, y las capacidades de producción actuales y los costos representan un cuello de botella.

Oliver Höhn, líder del grupo de tecnología de semiconductores III-V en el instituto Fraunhofer ISE, enfatiza la importancia de este logro: "Al reemplazar la fotolitografía y la evaporación de metal con impresión de inyección de tinta escalable y galvanización, Fraunhofer ISE demuestra un proceso simplificado con residuos químicos significativamente reducidos. Este enfoque está alineado con los objetivos de sostenibilidad del 'espacio verde' y la reducción de costos. Después de la demostración exitosa de este enfoque, nuestro objetivo es la colaboración con la industria para desarrollar aún más, estabilizar y finalmente escalar el proceso hacia la realización industrial."

Un optimismo similar es compartido por Erminio Greco, ingeniero de generadores solares en la Agencia Espacial Europea (ESA): "Este trabajo marca un paso clave hacia una tecnología de células solares III-V rentable, sostenible y eficiente. Allana el camino para una ruta de producción escalable y económicamente viable para la próxima generación de fotovoltaica espacial. Los resultados de la actividad destacan el papel clave del programa Discovery & Preparation de la ESA en la generación de nuevas ideas que pueden impulsar el desarrollo de futuras tecnologías espaciales."

Contexto más amplio: Espacio Verde (Green Space)

El proyecto "AlternateSpace" no es un incidente aislado de innovación, sino parte de una estrategia más amplia. La iniciativa "Clean Space" de la Agencia Espacial Europea ya lleva años trabajando en la evaluación del impacto de las misiones espaciales en el medio ambiente, tanto en la Tierra como en el espacio. La introducción de tecnologías que reducen la huella energética de la producción de componentes contribuye directamente a estos objetivos.

La transición a la impresión de inyección de tinta y galvanización podría reducir el consumo de energía en la producción de células solares en un porcentaje significativo, mientras que la eliminación de productos químicos tóxicos facilitaría el cumplimiento de estrictas regulaciones ecológicas de la UE, como el reglamento REACH. Además de los beneficios ecológicos, el cálculo económico es claro: una producción más barata significa satélites más baratos, lo que finalmente permite servicios espaciales más asequibles, desde internet y comunicaciones hasta la observación de la Tierra y el seguimiento del cambio climático.

En un mundo donde los recursos deben usarse cada vez más inteligentemente, una tecnología que combina la precisión de la ingeniería alemana con la visión de un espacio sostenible muestra que es posible alcanzar las estrellas sin destruir el planeta del que partimos. Fraunhofer ISE y ESA demuestran con este proyecto que el futuro de la energía espacial no está solo en una mayor eficiencia, sino también en una producción más inteligente, más limpia y más responsable.