Un propulsor de plasma pulsado ( PPT ), también conocido como cohete de plasma pulsado ( PPR ), o motor a reacción de plasma ( PJE ), es una forma de propulsión de naves espaciales eléctricas . [1] Los PPT generalmente se consideran la forma más simple de propulsión eléctrica de naves espaciales y fueron la primera forma de propulsión eléctrica que voló en el espacio, habiendo volado en dos sondas soviéticas ( Zond 2 y Zond 3 ) a partir de 1964. [2] Los PPT son generalmente vuelan en naves espaciales con un excedente de electricidad proveniente de la abundante energía solar disponible.
La mayoría de los PPT utilizan un material sólido (normalmente PTFE , más comúnmente conocido como teflón) como propulsor , aunque muy pocos utilizan propulsores líquidos o gaseosos. La primera etapa en la operación PPT implica un arco de electricidad que pasa a través del combustible, provocando la ablación y sublimación del combustible. El calor generado por este arco hace que el gas resultante se convierta en plasma , creando así una nube de gas cargada. Debido a la fuerza de la ablación, el plasma es impulsado a baja velocidad entre dos placas cargadas (un ánodo y un cátodo ). Dado que el plasma está cargado, el combustible completa efectivamente el circuito entre las dos placas, permitiendo que fluya una corriente a través del plasma. Este flujo de electrones genera un fuerte campo electromagnético que luego ejerce una fuerza de Lorentz sobre el plasma, acelerando el plasma fuera del escape del PPT a alta velocidad. [1] Su modo de operación es similar a un cañón de riel . La pulsación se produce debido al tiempo necesario para recargar las placas después de cada ráfaga de combustible y al tiempo entre cada arco. La frecuencia de pulsación es normalmente muy alta y por eso genera un empuje casi continuo y suave. Si bien el empuje es muy bajo, un PPT puede funcionar de forma continua durante largos períodos de tiempo, produciendo una gran velocidad final.
La energía utilizada en cada pulso se almacena en un condensador. [3] Al variar el tiempo entre cada descarga del condensador, se puede variar el empuje y el consumo de energía del PPT, lo que permite un uso versátil del sistema. [2]
La ecuación para el cambio de velocidad de una nave espacial viene dada por la ecuación del cohete de la siguiente manera:
dónde:
Los PPT tienen velocidades de escape mucho más altas que los motores de propulsión química, pero tienen un caudal de combustible mucho menor. De la ecuación de Tsiolkovsky mencionada anteriormente, esto da como resultado una velocidad final proporcionalmente mayor de la nave propulsada. La velocidad de escape de una PPT es del orden de decenas de km/s, mientras que la propulsión química convencional genera velocidades térmicas en el rango de 2 a 4,5 km/s. Debido a esta menor velocidad térmica, las unidades de propulsión química se vuelven exponencialmente menos efectivas a velocidades más altas del vehículo, lo que requiere el uso de propulsión eléctrica de naves espaciales como los PPT. Por tanto, resulta ventajoso utilizar un sistema de propulsión eléctrica como un PPT para generar altas velocidades interplanetarias en el rango de 20 a 70 km/s.
El PPT de investigación de la NASA (volado en 2000) alcanzó una velocidad de escape de 13.700 m/s, generó un empuje de 860 μN y consumió 70 W de energía eléctrica. [1]
Los PPT son muy robustos debido a su diseño inherentemente simple (en relación con otras técnicas de propulsión de naves espaciales eléctricas). Como sistema de propulsión eléctrica, los PPT se benefician de un menor consumo de combustible en comparación con los cohetes químicos tradicionales, lo que reduce la masa de lanzamiento y, por tanto, los costes de lanzamiento, así como un alto impulso específico que mejora el rendimiento. [1]
Sin embargo, debido a las pérdidas de energía causadas por la ablación tardía y la rápida transferencia de calor conductivo desde el propulsor al resto de la nave espacial, la eficiencia propulsiva (energía cinética del escape/energía total utilizada) es muy baja en comparación con otras formas de propulsión eléctrica, al menos alrededor de sólo el 10%.
Los PPT son adecuados para usos en naves espaciales relativamente pequeñas con una masa inferior a 100 kg (particularmente CubeSats ) para funciones tales como control de actitud , mantenimiento de posición , maniobras de salida de órbita y exploración del espacio profundo. El uso de PPT podría duplicar la vida útil de estas pequeñas misiones de satélites sin aumentar significativamente la complejidad o el costo debido a la simplicidad inherente y la naturaleza de costo relativamente bajo de los PPT. [3]
El primer uso de PPT fue en la sonda espacial soviética Zond 2 , que llevaba seis PPT que servían como actuadores del sistema de control de actitud. El sistema de propulsión PPT fue probado durante 70 minutos el 14 de diciembre de 1964, cuando la nave espacial se encontraba a 4,2 millones de kilómetros de la Tierra. [4]
La NASA voló un PPT en noviembre de 2000, como experimento de vuelo en la nave espacial Earth Observing-1 . Los propulsores demostraron con éxito la capacidad de controlar el balanceo de la nave espacial y demostraron que la interferencia electromagnética del plasma pulsado no afectaba a otros sistemas de la nave espacial. [1] Los propulsores de plasma pulsado también son una vía de investigación utilizada por las universidades para iniciar experimentos con propulsión eléctrica debido a la relativa simplicidad y los menores costos involucrados con los PPT en comparación con otras formas de propulsión eléctrica, como los propulsores de iones de efecto Hall . [2]
El 11 de julio de 2024, Howe Industries anunció que había firmado un contrato con la NASA a través de una subvención de 725.000,00 dólares para continuar la investigación sobre la tecnología de propulsión PPT/PPR. Howe Industries afirmó que si la tecnología de propulsión PPT/PPR logra convertirse en un medio completamente funcional para propulsar naves espaciales a Marte, entonces la tecnología PPT/PPR debería ser capaz de acortar el tiempo de viaje a Marte, en comparación con el requisito actual de aproximadamente 1 año, a un tiempo de viaje mucho más corto de sólo 2 meses. Howe Industries declaró además que al ritmo actual de su programa de investigación y desarrollo PPT/PPR, es posible que la tecnología no esté completamente lista para impulsar una nave espacial tripulada a Marte hasta dentro de aproximadamente otros 20 años (a partir de 2024). [5]
