Contributions to eco-friendly satellite lean design for a sustainable space environment

Abstract

(English) Currently, half of the satellites do not reach 20% of their expected lifetime. The possibility of recycling these "zombie satellites" (ZS) with limited capabilities would optimize this on-orbit infrastructure, reducing unnecessary launches and being more cost-effective. A 12U CubeSat costs around €2.5 million to manufacture and launch. In this way, there would be no need to launch new satellites for new missions, resulting in positive environmental and economic impacts. This research proposes an ecological approach to satellite design and operation, integrating space sustainability strategies and green practices within the NewSpace paradigm. For a comprehensive analysis of the satellite lifecycle, eco-friendly and lean manufacturing characteristics need to be integrated. This concept aims to consolidate efforts towards a sustainable space and considers innovative technologies for standard satellites. This doctoral thesis undertakes a research study and practical experiences focused on small satellites, divided into 6 parts with 12 chapters. The first part, with two chapters, introduces space sustainability and the Eco-LeanSat concept, emphasizing a sustainable approach to satellite manufacturing and the reuse of capabilities after failure. It addresses the evolution of smallsat capabilities and institutional efforts to promote sustainability strategies. The second part, comprising two chapters, deals with proposals for reusing satellites that have failed in orbit. Chapter three analyzes the most common failures in smallsats and proposes mission design to reuse these capabilities and prevent them from becoming space debris. Chapter four studies the causes of failures arising from the space environment. The third part proposes agile methodologies, Lean Six Sigma, and Model-Based System Engineering (MBSE) software for satellite manufacturing, applied to NanoSat Lab missions: 3Cat-4 and 3Cat-8, and the Colombian mission 3ColStar. Chapter five applies Lean Six Sigma to the 3Cat-8 mission, identifying bottlenecks and optimizing execution. Chapter six presents the preliminary design of the 3ColStar mission, incorporating MBSE software. Chapter seven develops algorithms for the Attitude Control System in the 3Cat-8 mission. Chapter eight performs thermal analysis of the 3Cat-4 mission. The fourth part, with chapter nine, addresses legal considerations for future sustainable missions, highlighting the lack of specific regulations for satellite reuse in orbit. Chapter ten proposes future studies with a sustainability focus. The fifth part includes appendices of the mentioned chapters, and the sixth part lists publications and other academic activities conducted during the doctoral study.

(Català) Actualment, la meitat dels satèl·lits no arriben al 20% de la seva vida útil esperada. La possibilitat de reciclar aquests "satèl·lits zombis" (ZS) amb capacitats limitades permetria optimitzar aquesta infraestructura en òrbita, reduint els llançaments innecessaris i sent més rendible. Un CubeSat de 12U costa uns 2,5 milions d'euros per fabricar i llançar. D'aquesta manera, no serà necessari llançar nous satèl·lits per a noves missions, amb un impacte positiu ambiental i econòmic. Aquesta investigació proposa un enfocament ecològic per al disseny i l'explotació de satèl·lits, integrant estratègies de sostenibilitat espacial i pràctiques verdes dins el paradigma NewSpace. Per a una anàlisi completa del cicle de vida del satèl·lit, s'han d'integrar característiques de fabricació ecològica i esvelta. Aquest concepte busca unificar esforços per un espai sostenible i considera tecnologies innovadores per a satèl·lits estàndard. Aquesta tesi doctoral realitza un estudi de recerca i experiències pràctiques centrades en petits satèl·lits, dividida en 6 parts amb 12 capítols. La primera part, amb dos capítols, introdueix la sostenibilitat espacial i el concepte Eco-LeanSat, emfatitzant un enfocament sostenible per a la fabricació de satèl·lits i la reutilització de capacitats restants després d'una fallada. S'aborda l'evolució de les capacitats dels smallsats i els esforços institucionals per promoure estratègies de sostenibilitat. La segona part, amb dos capítols, tracta propostes per a la reutilització de satèl·lits que han fallat en òrbita. El tercer capítol analitza les fallades més freqüents en smallsats i proposa la reutilització en disseny de missions per evitar la conversió en deixalles espacials. El quart capítol estudia les causes de fallades derivades de l'entorn espacial. La tercera part proposa metodologies àgils, Lean Six Sigma i software MBSE per a la fabricació de satèl·lits, aplicades a les missions de NanoSat Lab: 3Cat-4 i 3Cat-8, i a la missió colombiana 3ColStar. El cinquè capítol aplica Lean Six Sigma a la missió 3Cat-8, identificant colls d'ampolla i optimitzant l'execució. El sisè capítol presenta el disseny preliminar de la missió 3ColStar, incloent l'aplicació de software MBSE. El setè capítol desenvolupa algoritmes per al Sistema de Control d'Actitud en la missió 3Cat-8. El vuitè capítol analitza tèrmicament la missió 3Cat-4. La quarta part, amb el capítol 9, aborda consideracions legals per a missions sostenibles futures, destacant la manca de regulacions específiques per a la reutilització de satèl·lits en òrbita. El capítol 10 proposa estudis futurs amb un enfocament de sostenibilitat. La cinquena part inclou els apèndixs dels capítols, i la sisena part presenta la llista de publicacions i altres activitats acadèmiques realitzades durant l'estudi doctoral.

(Español) Actualmente, la mitad de los satélites no alcanzan el 20% de su vida útil esperada. La posibilidad de reciclar estos "satélites zombis" (ZS) con capacidades limitadas optimizaría esta infraestructura en órbita, reduciendo lanzamientos innecesarios y siendo más rentable. Un CubeSat de 12U cuesta alrededor de €2.5 millones para fabricar y lanzar. De esta manera, no sería necesario lanzar nuevos satélites para nuevas misiones, lo que tendría un impacto ambiental y económico positivo. Esta investigación propone un enfoque ecológico para el diseño y operación de satélites, integrando estrategias de sostenibilidad espacial y prácticas verdes dentro del paradigma NewSpace. Para un análisis completo del ciclo de vida del satélite, es necesario integrar características de fabricación ecológica y esbelta. Este concepto tiene como objetivo consolidar esfuerzos hacia un espacio sostenible y considera tecnologías innovadoras para satélites estándar. Esta tesis doctoral aborda un estudio de investigación y experiencias prácticas centradas en pequeños satélites, dividida en 6 partes con 12 capítulos. La primera parte, con dos capítulos, introduce la sostenibilidad espacial y el concepto Eco-LeanSat, enfatizando un enfoque sostenible para la fabricación de satélites y la reutilización de capacidades después de una falla. Se aborda la evolución de las capacidades de los smallsats y los esfuerzos institucionales para promover estrategias de sostenibilidad. La segunda parte, que consta de dos capítulos, trata propuestas para reutilizar satélites que han fallado en órbita. El tercer capítulo analiza las fallas más comunes en smallsats y propone el diseño de misiones para reutilizar estas capacidades y evitar que se conviertan en desechos espaciales. El cuarto capítulo estudia las causas de las fallas derivadas del entorno espacial. La tercera parte propone metodologías ágiles, Lean Six Sigma y software de Model-Based System Engineering (MBSE) para la fabricación de satélites, aplicadas a las misiones del NanoSat Lab: 3Cat-4 y 3Cat-8, y a la misión colombiana 3ColStar. El quinto capítulo aplica Lean Six Sigma a la misión 3Cat-8, identificando cuellos de botella y optimizando la ejecución. El sexto capítulo presenta el diseño preliminar de la misión 3ColStar, incorporando software MBSE. El séptimo capítulo desarrolla algoritmos para el Sistema de Control de Actitud en la misión 3Cat-8. El octavo capítulo realiza el análisis térmico de la misión 3Cat-4. La cuarta parte, con el capítulo nueve, aborda consideraciones legales para futuras misiones sostenibles, destacando la falta de regulaciones específicas para la reutilización de satélites en órbita. El capítulo diez propone estudios futuros con un enfoque de sostenibilidad. La quinta parte incluye los apéndices de los capítulos mencionados, y la sexta parte presenta la lista de publicaciones y otras actividades académicas realizadas durante el estudio doctoral.