Un propulsor inductivo pulsado ( PIT ) es una forma de propulsor iónico que se utiliza en la propulsión de naves espaciales . Es un motor de propulsión de plasma que utiliza campos eléctricos y magnéticos perpendiculares para acelerar un propulsor sin electrodos .
Una boquilla libera una bocanada de gas que se extiende a través de una bobina de inducción plana en espiral de alambre de aproximadamente 1 metro de diámetro. Un banco de condensadores libera un pulso de corriente eléctrica de alto voltaje de decenas de kilovoltios que dura 10 microsegundos en la bobina, generando un campo magnético radial. Esto induce un campo eléctrico circular en el gas, ionizándolo y haciendo que las partículas cargadas ( electrones libres e iones ) giren en la dirección opuesta al pulso de corriente original. Debido a que el movimiento de este flujo de corriente inducida es perpendicular al campo magnético, el plasma es acelerado hacia el espacio por la fuerza de Lorentz a una alta velocidad de escape (10 a 100 km/s). [1]
A diferencia de un propulsor de iones electrostático que utiliza un campo eléctrico para acelerar una sola especie (iones positivos), un PIT utiliza la fuerza del cuerpo de Lorentz que actúa sobre todas las partículas cargadas dentro de un plasma cuasi-neutral. A diferencia de la mayoría de los demás propulsores de iones y plasma, tampoco requiere electrodos (que son susceptibles a la erosión) y su potencia se puede aumentar simplemente aumentando el número de pulsos por segundo. Un sistema de 1 megavatio emitiría 200 pulsos por segundo.
Los propulsores inductivos pulsados pueden mantener un impulso específico constante y una eficiencia de empuje en un amplio rango de niveles de potencia de entrada ajustando la frecuencia de pulso para mantener una energía de descarga constante por pulso. Se ha demostrado una eficiencia superior al 50 %. [2]
Los propulsores inductivos pulsados pueden utilizar una amplia gama de gases como propulsores, como agua , hidracina , amoniaco , argón o xenón , entre muchos otros. Debido a esta capacidad, se ha sugerido el uso de PIT para misiones marcianas : un orbitador podría reabastecerse recogiendo CO2 de la atmósfera de Marte , comprimiendo el gas y licuándolo en tanques de almacenamiento para el viaje de regreso u otra misión interplanetaria , mientras orbita el planeta. [ 3]
El desarrollo inicial comenzó con estudios fundamentales de prueba de concepto realizados a mediados de la década de 1960. La NASA realiza experimentos con este dispositivo desde principios de la década de 1980.
NGST ( Northrop Grumman Space Technology ), como contratista de la NASA, construyó varios PIT experimentales.
Los esfuerzos de investigación durante el primer período (1965-1973) se orientaron a comprender la estructura de una lámina de corriente inductiva y a evaluar diferentes conceptos para la inyección de propulsor y la preionización.
En el segundo período (1979-1988), el enfoque se centró más en el desarrollo de un verdadero sistema de propulsión y en aumentar el rendimiento del diseño base mediante cambios de diseño incrementales, con la construcción de los prototipos Mk I y Mk IV .
El tercer período (1991-hoy) comenzó con la introducción de un nuevo diseño de propulsor PIT conocido como Mk V. Evolucionó hasta convertirse en el Mk VI , desarrollado para reproducir las pruebas de disparo único del Mk V, que caracterizan por completo el rendimiento del propulsor. Utiliza una bobina mejorada de construcción de tubo de cobre hueco y una válvula de propulsión mejorada, pero es eléctricamente idéntico al Mk V, utilizando los mismos condensadores e interruptores. [4] El Mk VII (principios de la década de 2000) tiene la misma geometría que el Mk VI, pero está diseñado para una alta frecuencia de pulso y un disparo de larga duración con una bobina refrigerada por líquido, condensadores de mayor vida útil e interruptores de estado sólido rápidos y de alta potencia. El objetivo del Mk VII es demostrar hasta 50 pulsos por segundo con la eficiencia nominal y el bit de impulso a 200 kW de potencia de entrada en un solo propulsor. El diseño del Mk VII es la base del NuPIT (PIT nuclear-eléctrico) más reciente. [2]
El PIT ha obtenido un rendimiento relativamente alto en el entorno de laboratorio, pero aún requiere avances adicionales en tecnología de conmutación y almacenamiento de energía antes de resultar práctico para aplicaciones espaciales de alta potencia, con la necesidad de una fuente de energía a bordo de base nuclear.
FARAD , que significa acelerador de Faraday con descarga asistida por radiofrecuencia , es una alternativa de menor potencia al PIT que tiene potencial para la operación espacial utilizando las tecnologías actuales. [5] [6]
En el PIT, tanto la ionización como la aceleración del propulsor se realizan mediante el pulso de alta tensión de la corriente en la bobina de inducción, mientras que el FARAD utiliza una descarga de RF inductiva independiente para preionizar el propulsor antes de que sea acelerado por el pulso de corriente. Esta preionización permite que el FARAD funcione a energías de descarga mucho más bajas que el PIT (100 julios por pulso frente a 4 kilojulios por pulso) y permite una reducción del tamaño del propulsor. [7]