Una tobera magnética es un campo magnético convergente-divergente que guía, expande y acelera un chorro de plasma en el vacío con el propósito de propulsión espacial . [1] El campo magnético en una tobera magnética juega un papel similar a las paredes sólidas convergentes-divergentes en una tobera de Laval , en donde un gas neutro caliente se expande primero subsónicamente y luego supersónicamente para aumentar el empuje . Al igual que una tobera de Laval, una tobera magnética convierte la energía interna del plasma en energía cinética dirigida , pero el funcionamiento se basa en la interacción del campo magnético aplicado con las cargas eléctricas en el plasma, en lugar de en fuerzas de presión que actúan sobre las paredes sólidas. [2] La principal ventaja de una tobera magnética sobre una sólida es que puede funcionar sin contacto, es decir, evitando el contacto del material con el plasma caliente, lo que conduciría a ineficiencias del sistema y una vida útil reducida de la tobera. Las ventajas adicionales incluyen la capacidad de modificar la fuerza y la geometría del campo magnético aplicado en vuelo, lo que permite que la tobera se adapte a diferentes requisitos de propulsión y misiones espaciales . Las toberas magnéticas son la etapa de aceleración fundamental de varios propulsores de plasma de próxima generación que se encuentran actualmente en desarrollo, como el propulsor de plasma de helicón, el propulsor de plasma de resonancia de ciclotrón electrónico , el VASIMR y el propulsor magnetoplasmadinámico de campo aplicado . Las toberas 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 interacciones eléctricas y magnéticas entre ellos y el campo aplicado.
Si la intensidad del campo magnético aplicado es suficiente, magnetiza los electrones ligeros del plasma, que 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 desplazarse a lo largo de un tubo magnético. [2] Este confinamiento magnético impide la expansión incontrolada de los electrones en dirección radial y los guía axialmente corriente abajo. Los iones más pesados no suelen estar magnetizados o sólo lo están parcialmente, 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 corriente abajo, mientras que todos los electrones, excepto los más energéticos, quedan confinados corriente arriba. De esta forma, el campo eléctrico ayuda a convertir la energía interna de los electrones en energía cinética iónica dirigida.
En el funcionamiento en estado estacionario, el chorro de plasma agotado está libre de corriente en todo el mundo, es decir, la corriente total de iones y la corriente de electrones en cada sección son iguales. Esta condición evita la carga eléctrica continua de la nave espacial en la que está montada la tobera magnética, que se produciría si la cantidad de iones y electrones emitidos por unidad de tiempo difieren.
La presión de los electrones al estar 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 corriente 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 de campo de regreso al propulsor. Esto frustraría el propósito propulsor de la tobera 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 lo tanto, es necesario un mecanismo de desprendimiento de plasma para el correcto funcionamiento de la tobera magnética. [4]
A medida que el plasma se expande en el lado divergente de la boquilla magnética, los iones se aceleran gradualmente hasta alcanzar velocidades hipersónicas gracias al papel del campo eléctrico interno en el plasma. Finalmente, los iones masivos no magnetizados son lo suficientemente rápidos como para que las débiles fuerzas eléctricas y magnéticas en la región de aguas abajo se vuelvan insuficientes para desviar las trayectorias de los iones, excepto en el caso de intensidades magnéticas extremadamente altas. Como consecuencia natural, comienza a producirse el desprendimiento del plasma [5] y la cantidad de caudal másico de plasma que en realidad se desvía a lo largo del campo magnético y regresa para mantener condiciones casi neutrales en el plasma es insignificante. En consecuencia, la boquilla magnética es capaz de generar chorros de plasma desprendidos que se pueden utilizar para la propulsión.
La separación de iones debido a su inercia conduce a la formación de corrientes eléctricas longitudinales locales, que no violan sin embargo la condición global libre de corriente en el chorro. La influencia del campo magnético inducido por el plasma, que puede deformar la tobera magnética aguas abajo, y la formación de regiones no neutras, 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 conectada. 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 explicó 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 temperatura de electrones alta (es decir, un plasma caliente) para tener un propulsor de plasma eficaz.
La eficiencia de la tobera magnética debe analizarse 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 las direcciones radial y azimutal. Esta energía es inútil para la generación de empuje y, por lo tanto, se considera como pérdidas. Una tobera magnética eficiente es lo suficientemente larga como para minimizar la cantidad de energía desperdiciada en las direcciones radial y azimutal. [3] Además, un campo magnético excesivamente débil no lograría confinar radialmente y guiar axialmente el plasma, lo que generaría grandes pérdidas radiales.
Otros aspectos positivos del sistema son la potencia eléctrica, la masa y el volumen del generador de campo magnético requerido ( bobinas magnéticas y/o imanes permanentes ). Un consumo de potencia eléctrica, una masa y un volumen bajos son deseables para aplicaciones de propulsión espacial.
