Un propulsor de plasma pulsado ( PPT ), también conocido como cohete de plasma pulsado ( PPR ) o como motor a reacción de plasma ( PJE ), es una forma de propulsión eléctrica de naves espaciales . [1] Los PPT generalmente se consideran la forma más simple de propulsión eléctrica de naves espaciales y fueron la primera forma de propulsión eléctrica en volar en el espacio, habiendo volado en dos sondas soviéticas ( Zond 2 y Zond 3 ) a partir de 1964. [2] Los PPT generalmente vuelan en naves espaciales con un excedente de electricidad proveniente de energía solar abundantemente 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 del funcionamiento del PPT implica un arco de electricidad que pasa a través del combustible, lo que provoca 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 se propulsa 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, lo que permite 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 funcionamiento es similar al de un cañón de riel . La pulsación se produce debido al tiempo necesario para recargar las placas después de cada ráfaga de combustible y el tiempo entre cada arco. La frecuencia de pulsación suele ser muy alta, por lo que genera un empuje casi continuo y uniforme. Si bien el empuje es muy bajo, un PPT puede funcionar de forma continua durante períodos prolongados, lo que produce 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 acuerdo con la ecuación de Tsiolkovsky mencionada anteriormente, esto da como resultado una velocidad final proporcionalmente mayor de la nave propulsada. La velocidad de escape de un 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 hace necesario el uso de propulsión eléctrica para naves espaciales como los PPT. Por lo tanto, es 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 cohete de investigación PPT de la NASA (lanzado 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 comparación con otras técnicas de propulsión eléctrica para naves espaciales). 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 lo tanto, los costos de lanzamiento, así como de 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 del 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, alrededor de solo el 10%.
Los PPT son muy adecuados para su uso en naves espaciales relativamente pequeñas con una masa de menos de 100 kg (en particular, CubeSats ) para funciones como control de actitud , mantenimiento de posición , maniobras de desorbitación y exploración del espacio profundo. El uso de PPT podría duplicar la vida útil de estas misiones de satélites pequeños sin aumentar significativamente la complejidad o el costo debido a la simplicidad inherente y la naturaleza relativamente baja de costo de los PPT. [3]
El primer uso de los 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 se probó 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]
En noviembre de 2000, la NASA realizó un vuelo experimental con un propulsor de plasma pulsado 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 propulsores de plasma pulsado en comparación con otras formas de propulsión eléctrica, como los propulsores iónicos 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 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, del requisito actual de aproximadamente 1 año, a un tiempo de viaje mucho más corto de solo 2 meses. Howe Industries afirmó además que al ritmo actual de su programa de investigación y desarrollo de PPT/PPR, la tecnología podría no estar completamente lista para propulsar una nave espacial tripulada a Marte durante aproximadamente otros 20 años (a partir de 2024). [5]
