El cohete magnetoplasma de impulso específico variable ( VASIMR ) es un propulsor electrotérmico en desarrollo para su posible uso en la propulsión de naves espaciales . Utiliza ondas de radio para ionizar y calentar un propulsor inerte , formando un plasma, luego un campo magnético para confinar y acelerar el plasma en expansión , generando empuje . Es un motor de propulsión de plasma , uno de varios tipos de sistemas de propulsión eléctrica para naves espaciales . [1]
El método VASIMR para calentar plasma se desarrolló originalmente durante la investigación sobre fusión nuclear . El objetivo de VASIMR es salvar la brecha entre los cohetes químicos de alto empuje y bajo impulso específico y la propulsión eléctrica de bajo empuje y alto impulso específico, pero aún no ha demostrado un alto empuje. El concepto de VASIMR se originó en 1977 con el ex astronauta de la NASA Franklin Chang Díaz , quien ha estado desarrollando la tecnología desde entonces. [2]
VASIMR es un tipo de propulsor de plasma electrotérmico/propulsor de magnetoplasma electrotérmico. En estos motores, un propulsor neutro e inerte se ioniza y se calienta mediante ondas de radio. El plasma resultante se acelera luego con campos magnéticos para generar empuje. Otros conceptos relacionados de propulsión de naves espaciales propulsadas eléctricamente son el propulsor de plasma sin electrodos , el cohete de arco de microondas y el propulsor inductivo pulsado .
El propulsor, un gas neutro como el argón o el xenón , se inyecta en un cilindro hueco recubierto de electroimanes. Al entrar en el motor, el gas se calienta primero hasta convertirse en un "plasma frío" mediante una antena/acoplador de RF de helicón que bombardea el gas con energía electromagnética, a una frecuencia de 10 a 50 MHz , [3] despojando a los átomos del propulsor de electrones y produciendo un plasma de iones y electrones libres. Al variar la cantidad de energía de calentamiento de RF y plasma, se afirma que VASIMR es capaz de generar un escape de impulso específico alto y de bajo empuje o un escape de impulso específico bajo y de empuje relativamente alto. [4] La segunda fase del motor es un potente electroimán de configuración de solenoide que canaliza el plasma ionizado, actuando como una tobera convergente-divergente como la tobera física de los motores de cohetes convencionales.
Un segundo acoplador, conocido como sección de calentamiento por ciclotrón iónico (ICH), emite ondas electromagnéticas en resonancia con las órbitas de los iones y electrones a medida que viajan a través del motor. La resonancia se logra mediante una reducción del campo magnético en esta parte del motor que ralentiza el movimiento orbital de las partículas de plasma. Esta sección calienta aún más el plasma a más de 1.000.000 K (1.000.000 °C; 1.800.000 °F), aproximadamente 173 veces la temperatura de la superficie del Sol . [5]
El recorrido de los iones y electrones a través del motor se aproxima a líneas paralelas a las paredes del motor; sin embargo, las partículas en realidad orbitan esas líneas mientras viajan linealmente a través del motor. La sección final, divergente, del motor contiene un campo magnético en expansión que expulsa los iones y electrones del motor a velocidades de hasta 50.000 m/s (180.000 km/h). [4] [6]
A diferencia de los procesos típicos de calentamiento por resonancia de ciclotrón , los iones VASIMR se expulsan inmediatamente de la boquilla magnética antes de que alcancen una distribución termalizada . Según un nuevo trabajo teórico realizado en 2004 por Alexey V. Arefiev y Boris N. Breizman de la Universidad de Texas en Austin , prácticamente toda la energía de la onda de iones del ciclotrón se transfiere uniformemente al plasma ionizado en un proceso de absorción de ciclotrón de un solo paso. Esto permite que los iones salgan de la boquilla magnética con una distribución de energía muy estrecha y que la disposición de los imanes en el motor sea significativamente simplificada y compacta. [4]
VASIMR no utiliza electrodos, sino que protege magnéticamente el plasma de la mayoría de las piezas de hardware, eliminando así la erosión de los electrodos, una de las principales fuentes de desgaste en los motores iónicos. [7] En comparación con los motores de cohetes tradicionales con tuberías muy complejas, válvulas de alto rendimiento, actuadores y turbobombas, VASIMR casi no tiene partes móviles (aparte de las menores, como las válvulas de gas), lo que maximiza la durabilidad a largo plazo. [8]
Según Ad Astra, a partir de 2015, el motor VX-200 requiere 200 kW de potencia eléctrica para producir 5 N de empuje, o 40 kW/N. [6] En contraste, el propulsor iónico NEXT convencional produce 0,327 N con solo 7,7 kW, o 24 kW/N. [6] En términos eléctricos, NEXT es casi el doble de eficiente y completó con éxito una prueba de 48.000 horas (5,5 años) en diciembre de 2009. [9] [10]
También surgen nuevos problemas con VASIMR, como la interacción con campos magnéticos fuertes y la gestión térmica. La ineficiencia con la que opera VASIMR genera un calor residual sustancial que debe canalizarse sin crear sobrecarga térmica y estrés térmico. Los electroimanes superconductores necesarios para contener el plasma caliente generan campos magnéticos de rango tesla [11] que pueden causar problemas con otros dispositivos a bordo y producir un par no deseado por interacción con la magnetosfera . Para contrarrestar este último efecto, se pueden empaquetar dos unidades de propulsión con campos magnéticos orientados en direcciones opuestas, formando un cuadrupolo magnético neto de par cero . [12]
El primer experimento VASIMR se llevó a cabo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1983. En la década de 1990 se introdujeron mejoras importantes, incluido el uso de la fuente de plasma de helicón, que reemplazó al cañón de plasma originalmente previsto y sus electrodos, lo que aumentó la durabilidad y la vida útil. [13]
En 2010, Ad Astra Rocket Company (AARC) fue la responsable del desarrollo de VASIMR, firmando el primer Acuerdo de la Ley Espacial el 23 de junio de 2005 para privatizar la tecnología de VASIMR. Franklin Chang Díaz es el presidente y director ejecutivo de Ad Astra, y la empresa tenía una instalación de pruebas en Liberia, Costa Rica , en el campus de la Universidad de la Tierra . [14]
En 1998, se realizó el primer experimento de plasma de helicón en la ASPL . El experimento VASIMR 10 (VX-10) en 1998 logró una descarga de plasma de RF de helicón de hasta 10 kW y el VX-25 en 2002 de hasta 25 kW. En 2005, los avances en la ASPL incluyeron la producción de plasma completa y eficiente y la aceleración de los iones de plasma con el VX-50 de 50 kW y 0,5 newtons (0,1 lbf) de empuje. [4] Los datos publicados sobre el VX-50 de 50 kW mostraron que la eficiencia eléctrica era del 59% basada en una eficiencia de acoplamiento del 90% y una eficiencia de aumento de la velocidad de los iones del 65%. [15] [ verificación fallida ]
El experimento VASIMR de 100 kilovatios se ejecutó con éxito en 2007 y demostró una producción de plasma eficiente con un costo de ionización inferior a 100 eV. [16] La producción de plasma del VX-100 triplicó el récord anterior del VX-50. [16]
Se esperaba que el VX-100 tuviera una eficiencia de aumento de velocidad de iones del 80%, pero no pudo lograr esta eficiencia debido a las pérdidas de la conversión de corriente eléctrica de CC a energía de radiofrecuencia y el equipo auxiliar para el imán superconductor. [15] [17] En contraste, los diseños de motores de iones de última generación y probados de 2009, como la Propulsión Eléctrica de Alta Potencia (HiPEP) de la NASA, funcionaron con una eficiencia energética total del propulsor/ PPU del 80% . [18]
El 24 de octubre de 2008, la empresa anunció en un comunicado de prensa que el componente de generación de plasma de helicón del motor VX-200 de 200 kW había alcanzado el estado operativo. La tecnología clave que lo habilita, el procesamiento de energía de estado sólido DC-RF, alcanzó una eficiencia del 98%. La descarga de helicón utilizó 30 kW de ondas de radio para convertir el gas argón en plasma. Los 170 kW restantes de potencia se asignaron a la aceleración del plasma en la segunda parte del motor, a través del calentamiento por resonancia de ciclotrón iónico. [19]
Según los datos de las pruebas del VX-100, [11] se esperaba que, si alguna vez se descubrieran superconductores a temperatura ambiente, el motor VX-200 tendría una eficiencia del sistema del 60-65% y un nivel de empuje potencial de 5 N. El impulso específico óptimo parecía estar alrededor de los 5000 s utilizando un propulsor de argón de bajo costo. Una de las cuestiones pendientes de prueba era si el plasma caliente realmente se desprendía del cohete. Otra cuestión era la gestión del calor residual. Alrededor del 60% de la energía de entrada se convirtió en energía cinética útil. Gran parte del 40% restante son ionizaciones secundarias del plasma que cruza las líneas del campo magnético y la divergencia de escape. Una parte significativa de ese 40% era calor residual (véase eficiencia de conversión de energía ). La gestión y el rechazo de ese calor residual es fundamental. [20]
Entre abril y septiembre de 2009, se realizaron pruebas de 200 kW en el prototipo VX-200 con imanes superconductores de 2 tesla que se alimentan por separado y no se tienen en cuenta en ningún cálculo de "eficiencia". [21] Durante noviembre de 2010, se realizaron pruebas de encendido de larga duración y máxima potencia, alcanzando un funcionamiento en estado estable durante 25 segundos y validando las características básicas del diseño. [22]
Los resultados presentados en enero de 2011 confirmaron que el punto de diseño para una eficiencia óptima en el VX-200 es una velocidad de escape de 50 km/s, o un I sp de 5000 s. El VX-200 de 200 kW había ejecutado más de 10 000 encendidos de motor con propulsor de argón a plena potencia en 2013, demostrando una eficiencia del propulsor superior al 70 % en relación con la entrada de potencia de RF. [23]
En marzo de 2015, Ad Astra anunció un premio de 10 millones de dólares de la NASA para avanzar en la preparación tecnológica de la próxima versión del motor VASIMR, el VX-200SS, para satisfacer las necesidades de las misiones en el espacio profundo. [24] El SS en el nombre significa "estado estable", ya que un objetivo de la prueba de larga duración es demostrar el funcionamiento continuo en estado estable térmico. [25]
En agosto de 2016, Ad Astra anunció la finalización de los hitos del primer año de su contrato de 3 años con la NASA. Esto permitió los primeros encendidos de plasma de alta potencia de los motores, con el objetivo declarado de alcanzar las 100 horas y los 100 kW a mediados de 2018. [26] En agosto de 2017, la empresa informó que había completado sus hitos del año 2 para el motor de cohete de plasma eléctrico VASIMR. La NASA dio su aprobación para que Ad Astra procediera con el año 3 después de revisar la finalización de una prueba acumulativa de 10 horas del motor VX-200SS a 100 kW. Parece que el diseño planificado de 200 kW se está ejecutando a 100 kW por razones que no se mencionan en el comunicado de prensa. [27]
En agosto de 2019, Ad Astra anunció la finalización exitosa de las pruebas de una unidad de procesamiento de potencia (PPU) de radiofrecuencia ( RF ) de nueva generación para el motor VASIMR, construida por Aethera Technologies Ltd. de Canadá. [28] Ad Astra declaró una potencia de 120 kW y una eficiencia energética de electricidad a RF de >97%, y que, con 52 kg, la nueva PPU de RF es aproximadamente 10 veces más liviana que las PPU de los propulsores eléctricos de la competencia ( relación potencia-peso : 2,31 kW/kg).
En julio de 2021, Ad Astra anunció la finalización de una prueba récord para el motor, haciéndolo funcionar durante 28 horas a un nivel de potencia de 82,5 kW. [29] Una segunda prueba, realizada del 12 al 16 de julio, hizo funcionar con éxito el motor durante 88 horas a un nivel de potencia de 80 kW. [30] Ad Astra prevé realizar pruebas de nivel de potencia de 100 kW en 2023. [31]
VASIMR tiene una relación empuje-peso comparativamente pobre y requiere un vacío ambiental.
Las aplicaciones propuestas para VASIMR, como el transporte rápido de personas a Marte, requerirían una fuente de energía de muy alta potencia y baja masa, diez veces más eficiente que un reactor nuclear (véase cohete nuclear eléctrico ). En 2010, el administrador de la NASA, Charles Bolden, dijo que la tecnología VASIMR podría ser la tecnología innovadora que reduciría el tiempo de viaje en una misión a Marte de 2,5 años a 5 meses. [32] Sin embargo, esta afirmación no se ha repetido en la última década.
En agosto de 2008, Tim Glover, director de desarrollo de Ad Astra, declaró públicamente que la primera aplicación esperada del motor VASIMR es "transportar cosas [carga no humana] desde la órbita terrestre baja a la órbita lunar baja", apoyando los esfuerzos de la NASA para regresar a la Luna. [33]
Para llevar a cabo un imaginario viaje tripulado a Marte en 39 días, [34] el VASIMR requeriría un nivel de energía eléctrica muy superior a todo lo actualmente posible.
Además, cualquier tecnología de generación de energía producirá calor residual. El reactor de 200 megavatios necesario , "con una densidad de potencia/masa de 1.000 vatios por kilogramo ", requeriría radiadores extremadamente eficientes para evitar la necesidad de "radiadores del tamaño de un campo de fútbol". [35]
El VX-200 proporcionará el conjunto de datos críticos para construir el VF-200-1, la primera unidad de vuelo, que se probará en el espacio a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS). La energía eléctrica procederá de la ISS a un nivel de potencia bajo, se almacenará en baterías y se utilizará para encender el motor a 200 kW.
