Un propulsor magnetoplasmadinámico (MPD) ( MPDT ) es una forma de propulsión de naves espaciales propulsada eléctricamente que utiliza la fuerza de Lorentz (la fuerza sobre una partícula cargada por un campo electromagnético) para generar empuje. A veces se le conoce como Lorentz Force Accelerator (LFA) o (principalmente en Japón) MPD arcjet.
Generalmente, un material gaseoso se ioniza y se introduce en una cámara de aceleración, donde se crean los campos magnéticos y eléctricos utilizando una fuente de energía. Luego, las partículas son impulsadas por la fuerza de Lorentz resultante de la interacción entre la corriente que fluye a través del plasma y el campo magnético (que es aplicado externamente o inducido por la corriente) que sale a través de la cámara de escape. A diferencia de la propulsión química, no se quema combustible. Al igual que con otras variaciones de propulsión eléctrica, tanto el impulso específico como el empuje aumentan con la entrada de energía, mientras que el empuje por vatio disminuye.
Hay dos tipos principales de propulsores MPD: de campo aplicado y de campo propio. Los propulsores de campo aplicado tienen anillos magnéticos que rodean la cámara de escape para producir el campo magnético, mientras que los propulsores de campo propio tienen un cátodo que se extiende por el centro de la cámara. Los campos aplicados son necesarios a niveles de potencia más bajos, donde las configuraciones de campo propio son demasiado débiles. Se han utilizado varios propulsores como xenón , neón , argón , hidrógeno , hidracina y litio , siendo el litio generalmente el de mejor rendimiento. [1]
Según Edgar Choueiri, los propulsores magnetoplasmadinámicos tienen una potencia de entrada de 100 a 500 kilovatios, una velocidad de escape de 15 a 60 kilómetros por segundo, un empuje de 2,5 a 25 newtons y una eficiencia de 40 a 60 por ciento. Sin embargo, investigaciones adicionales han demostrado que las velocidades de escape pueden superar los 100 kilómetros por segundo. [2] [3]
Una aplicación potencial de los propulsores magnetoplasmadinámicos es el motor de propulsión principal para carga pesada y vehículos espaciales pilotados (ejemplo de motor para misión humana a Marte ). [2] [3]
En teoría, los propulsores MPD podrían producir impulsos específicos extremadamente altos (I sp ) con una velocidad de escape de hasta y más.110.000 m/s , el triple del valor de los actuales propulsores de iones basados en xenón y aproximadamente 25 veces mejor que los cohetes líquidos. La tecnología MPD también tiene potencial para niveles de empuje de hasta 200 newtons (N) (45 lb F ), con diferencia la más alta para cualquier forma de propulsión eléctrica, y casi tan alta como la de muchos cohetes químicos interplanetarios. [ cita necesaria ] Esto permitiría el uso de propulsión eléctrica en misiones que requieren maniobras rápidas delta-v (como la captura en órbita alrededor de otro planeta), pero con una eficiencia de combustible muchas veces mayor. [4]
La tecnología de propulsores MPD se ha explorado académicamente, pero el interés comercial ha sido escaso debido a varios problemas pendientes. Un pequeño problema es que se requieren requisitos de energía del orden de cientos de kilovatios para un rendimiento óptimo. Los sistemas de energía actuales de las naves espaciales interplanetarias (como los generadores termoeléctricos de radioisótopos y los paneles solares) son incapaces de producir tanta energía. Se esperaba que el reactor del Proyecto Prometeo de la NASA generara energía en el rango de cientos de kilovatios, pero se suspendió en 2005.
En 1963 se inició un proyecto para producir un reactor nuclear espacial diseñado para generar 600 kilovatios de energía eléctrica y funcionó durante la mayor parte de la década de 1960 en la URSS . Se trataba de alimentar un satélite de comunicaciones que finalmente no fue aprobado. [5] La URSS ha puesto en órbita reactores nucleares que suministran kilovatios de energía eléctrica (del orden de diez veces más que los actuales suministros de energía RTG): RORSAT ; [6] y TOPACIO . [7]
Los planes para desarrollar un reactor nuclear a escala de megavatios para su uso a bordo de una nave espacial tripulada fueron anunciados en 2009 por el Instituto Kurchatov nuclear ruso , [8] la agencia espacial nacional Roskosmos , [9] y confirmados por el presidente ruso Dmitry Medvedev en su discurso de noviembre de 2009 ante la Asamblea Federal . [10]
Otro plan, propuesto por Bradley C. Edwards , consiste en transmitir energía desde la tierra. Este plan utiliza 5 láseres de electrones libres de 200 kW a 0,84 micrómetros con óptica adaptativa en tierra para transmitir energía a la nave espacial impulsada por MPD, donde se convierte en electricidad mediante paneles fotovoltaicos de GaAs . La sintonización de la longitud de onda del láser de 0,840 micrómetros (1,48 eV por fotón) y la banda prohibida del panel fotovoltaico de1,43 eV entre sí produce una eficiencia de conversión estimada del 59% y una densidad de potencia prevista de hasta540 kW/ m2 . Esto sería suficiente para alimentar una etapa superior MPD, tal vez para elevar satélites de LEO a GEO. [11]
Otro problema con la tecnología MPD ha sido la degradación de los cátodos debido a la evaporación impulsada por altas densidades de corriente (superiores a100 A/cm2 ) . Se ha demostrado en el laboratorio que el uso de mezclas propulsoras de litio y bario y cátodos huecos multicanal es una solución prometedora para el problema de la erosión catódica. [12]
Se han llevado a cabo investigaciones sobre propulsores MPD en Estados Unidos, la ex Unión Soviética , Japón, Alemania e Italia. Los prototipos experimentales volaron por primera vez en naves espaciales soviéticas y, más recientemente, en 1996, en la Unidad de Volantes Espaciales Japonesa , que demostró el funcionamiento exitoso de un propulsor MPD pulsado casi estable en el espacio. Investigación en el Instituto de Aviación de Moscú , RKK Energiya , Universidad Nacional Aeroespacial, Instituto de Aviación de Kharkiv, Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart , ISAS , Centrospazio, Alta SpA, Universidad de Osaka , Universidad del Sur de California , Propulsión Eléctrica y Plasma de la Universidad de Princeton Dynamics Lab (EPPDyL) (donde la investigación de propulsores MPD ha continuado ininterrumpidamente desde 1967), y centros de la NASA ( Jet Propulsion Laboratory y Glenn Research Center ), ha resuelto muchos problemas relacionados con el rendimiento, la estabilidad y la vida útil de los propulsores MPD.
Se probó un propulsor MPD a bordo de la unidad espacial japonesa como parte del EPEX (Experimento de propulsión eléctrica) que se lanzó el 18 de marzo de 1995 y fue recuperado por la misión del transbordador espacial STS-72 el 20 de enero de 1996. Hasta la fecha, es el único operativo. El propulsor MPD habría volado en el espacio como sistema de propulsión. Los prototipos experimentales volaron por primera vez en naves espaciales soviéticas.
El propulsor MPD de campo aplicado en desarrollo en el Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart alcanzó una eficiencia del 61,99 % en 2019, lo que corresponde a un impulso específico de I sp = 4665 s y 2,75 N de empuje. [13]
