Una boquilla magnética es un campo magnético convergente-divergente que guía, expande y acelera un chorro de plasma hacia el vacío con fines de propulsión espacial . [1] El campo magnético en una boquilla magnética juega un papel similar al de las paredes sólidas convergentes-divergentes en una boquilla de Laval , en la que un gas neutro caliente se expande primero subsónicamente y luego supersónicamente para aumentar el empuje . Al igual que una boquilla de Laval, una boquilla magnética convierte la energía interna del plasma en energía cinética dirigida , pero la operación se basa en la interacción del campo magnético aplicado con las cargas eléctricas del plasma, en lugar de en fuerzas de presión que actúan sobre el sólido. paredes. [2] La principal ventaja de una boquilla magnética sobre una sólida es que puede funcionar sin contacto, es decir, evitando el contacto del material con el plasma caliente, lo que provocaría ineficiencias del sistema y reduciría la vida útil de la boquilla. Las ventajas adicionales incluyen la capacidad de modificar la fuerza y la geometría del campo magnético aplicado en vuelo, lo que permite que la boquilla se adapte a diferentes requisitos de propulsión y misiones espaciales . Las boquillas magnéticas son la etapa de aceleración fundamental de varios propulsores de plasma de próxima generación actualmente en desarrollo, como el propulsor de plasma helicón, el propulsor de plasma de resonancia ciclotrón de electrones , el VASIMR y el propulsor magnetoplasmadinámico de campo aplicado . Las boquillas magnéticas también encuentran otro campo de aplicación en los procesos avanzados de fabricación de plasma , y su física está relacionada con la de varios dispositivos de fusión de plasma por confinamiento magnético .
La expansión de un plasma en una boquilla magnética es inherentemente más compleja que la expansión de un gas en una boquilla sólida y es el resultado de varios fenómenos entrelazados, que en última instancia dependen de la gran diferencia de masa entre electrones e iones y las fuerzas eléctricas y magnéticas. interacciones entre ellos y el campo aplicado.
Si la intensidad del campo magnético aplicado es suficiente, éste magnetiza los electrones luminosos presentes en el plasma, que por tanto describen un movimiento helicoidal alrededor de las líneas magnéticas. En la práctica, esto se consigue con campos magnéticos del orden de unos pocos cientos de Gauss. El centro guía de cada electrón se ve obligado a viajar a lo largo de un tubo magnético. [2] Este confinamiento magnético evita la expansión incontrolada de los electrones en dirección radial y los guía axialmente hacia abajo. Los iones más pesados normalmente no están magnetizados o solo están parcialmente magnetizados, pero se ven obligados a expandirse con los electrones gracias al campo eléctrico que se establece en el plasma para mantener la cuasineutralidad . [3] Como resultado del campo eléctrico resultante, los iones se aceleran aguas abajo, mientras que todos los electrones, excepto los más energéticos, quedan confinados aguas arriba. De esta manera, el campo eléctrico ayuda a convertir la energía interna del electrón en energía cinética iónica dirigida.
En funcionamiento en estado estacionario, el chorro de plasma agotado está globalmente libre de corriente, es decir, la corriente total de iones y la corriente de electrones en cada sección son iguales. Esta condición impide la carga eléctrica continua de la nave espacial en la que está montada la boquilla magnética, lo que se produciría si la cantidad de iones y electrones emitidos por unidad de tiempo difiere.
La presión de los electrones confinada por el campo magnético da lugar a una deriva diamagnética , que es proporcional a la presión de los electrones e inversamente proporcional a la intensidad del campo magnético. Junto con la deriva , la deriva diamagnética es responsable de la formación de una corriente eléctrica azimutal en el dominio del plasma. Esta corriente eléctrica azimutal genera un campo magnético inducido que se opone al aplicado, generando una fuerza magnética repulsiva que empuja el plasma aguas abajo. La reacción a esta fuerza se siente en el generador magnético de la boquilla magnética y se llama empuje magnético. [3] Este es el principal mecanismo de generación de empuje en una boquilla magnética.
La naturaleza cerrada de las líneas magnéticas significa que, a menos que el plasma se separe del campo magnético guía aguas abajo, girará a lo largo de las líneas del campo de regreso al propulsor. Esto anularía el propósito propulsor de la boquilla magnética, ya que el plasma que regresa cancelaría el empuje y podría poner en peligro la integridad de la nave espacial y del propulsor de plasma. Por tanto, es necesario un mecanismo de desprendimiento de plasma para el correcto funcionamiento de la boquilla magnética. [4]
A medida que el plasma se expande en el lado divergente de la boquilla magnética, los iones se aceleran gradualmente hasta velocidades hipersónicas gracias al papel del campo eléctrico interno en el plasma. Al final, los iones masivos no magnetizados son lo suficientemente rápidos como para que las débiles fuerzas eléctricas y magnéticas en la región aguas abajo se vuelvan insuficientes para desviar las trayectorias de los iones, excepto por fuerzas magnéticas extremadamente altas. Como consecuencia natural, el desprendimiento del plasma comienza a tener lugar [5] y la cantidad de flujo másico de plasma que realmente se desvía a lo largo del campo magnético y regresa para mantener condiciones cuasi neutrales en el plasma es insignificante. En consecuencia, la tobera magnética es capaz de emitir chorros de plasma desprendidos utilizables para la propulsión.
La separación de iones debido a su inercia conduce a la formación de corrientes eléctricas longitudinales locales, que sin embargo no violan la condición global libre de corriente en el chorro. La influencia del campo magnético inducido por plasma, que puede deformar la boquilla magnética aguas abajo, y la formación de regiones no neutrales, pueden reducir aún más las pérdidas de plasma por retorno. [6]
El rendimiento de una boquilla magnética, en términos de su impulso específico , empuje generado y eficiencia general depende del propulsor de plasma al que está conectado. La boquilla magnética debe considerarse como un dispositivo de aumento de empuje , cuya función es convertir la energía térmica del plasma en energía cinética dirigida como se analizó anteriormente. Por lo tanto, el empuje y el impulso específico dependen en gran medida de la temperatura de los electrones del plasma dentro de la fuente de plasma. Se requiere una alta temperatura de los electrones (es decir, un plasma caliente) para tener un propulsor de plasma eficaz.
La eficiencia de la boquilla magnética debe discutirse en términos de divergencia o pérdidas radiales. Como subproducto de la expansión en la tobera magnética divergente, parte de la energía cinética de los iones se dirige en dirección radial y azimutal. Esta energía es inútil para la generación de empuje y, por tanto, se considera pérdidas. Una boquilla magnética eficiente es lo suficientemente larga para minimizar la cantidad de energía desperdiciada en las direcciones radial y azimutal. [3] Además, un campo magnético excesivamente débil no lograría confinar radialmente ni guiar axialmente el plasma, lo que provocaría grandes pérdidas radiales.
Otros factores de mérito del sistema son la potencia eléctrica, la masa y el volumen del generador de campo magnético requerido ( bobinas magnéticas y/o imanes permanentes ). Para aplicaciones de propulsión espacial son deseables un bajo consumo de energía eléctrica, masa y volumen.
