Un propulsor iónico , un propulsor iónico o un motor iónico es una forma de propulsión eléctrica utilizada para la propulsión de naves espaciales . Un propulsor de iones crea una nube de iones positivos a partir de un gas neutro ionizándolo para extraer algunos electrones de sus átomos . Luego, los iones se aceleran utilizando electricidad para crear empuje . Los propulsores de iones se clasifican en electrostáticos o electromagnéticos .
Los iones propulsores electrostáticos son acelerados por la fuerza de Coulomb a lo largo de la dirección del campo eléctrico . Los electrones almacenados temporalmente son reinyectados por un neutralizador en la nube de iones después de haber pasado a través de la rejilla electrostática, de modo que el gas vuelve a ser neutral y puede dispersarse libremente en el espacio sin ninguna interacción eléctrica adicional con el propulsor.
Por el contrario, los iones propulsores electromagnéticos son acelerados por la fuerza de Lorentz para acelerar todas las especies (electrones libres así como iones positivos y negativos) en la misma dirección cualquiera que sea su carga eléctrica , y se les conoce específicamente como motores de propulsión de plasma , donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración. [1] [2]
Los propulsores de iones en funcionamiento suelen consumir entre 1 y 7 kW de potencia , tienen velocidades de escape de alrededor de 20 a 50 km/s ( I sp 2000 a 5000 s) y poseen empujes de 25 a 250 mN y una eficiencia propulsora del 65 al 80% [3 ] [4] aunque las versiones experimentales han alcanzado 100 kW (130 hp), 5 N (1,1 lb f ). [5]
La nave espacial Deep Space 1 , propulsada por un propulsor de iones, cambió de velocidad en 4,3 km/s (2,7 mi/s) mientras consumía menos de 74 kg (163 lb) de xenón . La nave espacial Dawn rompió el récord, con un cambio de velocidad de 11,5 km/s (7,1 mi/s), aunque era sólo la mitad de eficiente y requería 425 kg (937 lb) de xenón. [6]
Las aplicaciones incluyen el control de la orientación y posición de los satélites en órbita (algunos satélites tienen docenas de propulsores de iones de baja potencia), el uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de baja masa (como Deep Space 1 y Dawn ), [3] [4] y sirven como propulsores de propulsión para naves espaciales tripuladas y estaciones espaciales (por ejemplo, Tiangong ). [7]
Los motores de propulsión iónica generalmente sólo son prácticos en el vacío del espacio, ya que el minúsculo empuje del motor no puede superar ninguna resistencia significativa del aire sin cambios radicales de diseño, como se puede encontrar en el concepto de ' Propulsión eléctrica que respira atmósfera '. El MIT ha creado diseños que pueden volar distancias cortas y a bajas velocidades a nivel del suelo, utilizando materiales ultraligeros y perfiles aerodinámicos de baja resistencia. Por lo general, un motor de iones no puede generar suficiente empuje para lograr el despegue inicial desde cualquier cuerpo celeste con una gravedad superficial significativa . Por estas razones, las naves espaciales deben depender de otros métodos, como cohetes químicos convencionales o tecnologías sin lanzamiento de cohetes, para alcanzar su órbita inicial .
La primera persona que escribió un artículo presentando públicamente la idea fue Konstantin Tsiolkovsky en 1911. [8] La técnica se recomendó para condiciones cercanas al vacío a gran altitud, pero el empuje se demostró con corrientes de aire ionizado a presión atmosférica. La idea apareció nuevamente en Wege zur Raumschiffahrt (1929; Ways to Spaceflight ), de Hermann Oberth , [9] donde explicó sus pensamientos sobre el ahorro masivo de la propulsión eléctrica, predijo su uso en la propulsión de naves espaciales y el control de actitud , y abogó por la aceleración electrostática. de gases cargados. [10]
Harold R. Kaufman construyó un propulsor de iones en funcionamiento en 1959 en las instalaciones del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Era similar a un propulsor de iones electrostáticos en rejilla y usaba mercurio como propulsor. Se realizaron pruebas suborbitales durante la década de 1960 y en 1964, el motor fue enviado a un vuelo suborbital a bordo del Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). [11] [12] Funcionó con éxito durante los 31 minutos previstos antes de caer a la Tierra. [13] Esta prueba fue seguida por una prueba orbital, SERT-2, en 1970. [14] [15]
El 12 de octubre de 1964, Voskhod 1 llevó a cabo pruebas con propulsores de iones que se habían acoplado al exterior de la nave espacial. [dieciséis]
Una forma alternativa de propulsión eléctrica, el propulsor de efecto Hall , se estudió de forma independiente en los Estados Unidos y la Unión Soviética en las décadas de 1950 y 1960. Los propulsores de efecto Hall operaron en los satélites soviéticos desde 1972 hasta finales de la década de 1990, y se utilizaron principalmente para la estabilización de satélites en direcciones norte-sur y este-oeste. Entre 100 y 200 motores completaron misiones en satélites soviéticos y rusos . [17] El diseño de propulsores soviéticos se introdujo en Occidente en 1992 después de que un equipo de especialistas en propulsión eléctrica, con el apoyo de la Organización de Defensa de Misiles Balísticos , visitara los laboratorios soviéticos.
Los propulsores de iones utilizan haces de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) para crear empuje de acuerdo con la conservación del momento . El método para acelerar los iones varía, pero todos los diseños aprovechan la relación carga / masa de los iones. Esta relación significa que diferencias de potencial relativamente pequeñas pueden crear altas velocidades de escape. Esto reduce la cantidad de masa de reacción o propulsor requerido, pero aumenta la cantidad de potencia específica requerida en comparación con los cohetes químicos . Por lo tanto, los propulsores de iones pueden alcanzar impulsos específicos elevados . El inconveniente del bajo empuje es la baja aceleración porque la masa de la unidad de energía eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de potencia. Este bajo empuje hace que los propulsores de iones no sean adecuados para poner en órbita naves espaciales, pero sí son eficaces para la propulsión en el espacio durante períodos de tiempo más largos.
Los propulsores de iones se clasifican en electrostáticos o electromagnéticos . La principal diferencia es el método para acelerar los iones.
La energía eléctrica para los propulsores de iones suele ser proporcionada por paneles solares . Sin embargo, para distancias suficientemente grandes del Sol, se puede utilizar la energía nuclear . En cada caso, la masa de la fuente de alimentación es proporcional a la potencia máxima que se puede suministrar y ambos proporcionan, para esta aplicación, casi ningún límite de energía. [18]
Los propulsores eléctricos tienden a producir un empuje bajo, lo que resulta en una aceleración baja. Definiendo la aceleración gravitacional estándar de la Tierra y observando que ésta se puede analizar. Un propulsor NSTAR que produce una fuerza de empuje de 92 mN [19] acelerará un satélite con una masa de 1 tonelada en 0,092 N / 1000 kg = 9,2 × 10 −5 m/s 2 (o 9,38 × 10 −6 g ). Sin embargo, esta aceleración puede mantenerse durante meses o años seguidos, a diferencia de los muy breves tiempos de combustión de los cohetes químicos.
El propulsor de iones no es el tipo más prometedor de propulsión eléctrica de naves espaciales , pero sí el más exitoso en la práctica hasta la fecha. [4] Un propulsor iónico requeriría dos días para acelerar un automóvil a la velocidad de una autopista en el vacío. Las características técnicas, especialmente el empuje , son considerablemente inferiores a las de los prototipos descritos en la literatura, [3] [4] las capacidades técnicas están limitadas por la carga espacial creada por los iones. Esto limita la densidad de empuje ( fuerza por área de la sección transversal del motor). [4] Los propulsores de iones crean pequeños niveles de empuje (el empuje de Deep Space 1 es aproximadamente igual al peso de una hoja de papel [4] ) en comparación con los cohetes químicos convencionales , pero logran un alto impulso específico , o eficiencia de masa del propulsor, al acelerar. el escape a alta velocidad. La potencia impartida al escape aumenta con el cuadrado de la velocidad del escape, mientras que el aumento del empuje es lineal. Por el contrario, los cohetes químicos proporcionan un gran empuje, pero su impulso total está limitado por la pequeña cantidad de energía que puede almacenarse químicamente en los propulsores. [20] Dado el peso práctico de las fuentes de energía adecuadas, la aceleración de un propulsor de iones es frecuentemente inferior a una milésima parte de la gravedad estándar . Sin embargo, dado que funcionan como motores eléctricos (o electrostáticos), convierten una fracción mayor de la potencia de entrada en potencia cinética de escape. Los cohetes químicos funcionan como motores térmicos y el teorema de Carnot limita la velocidad de escape.
El desarrollo de propulsores de iones electrostáticos en red comenzó en la década de 1960 [21] y, desde entonces, se han utilizado para la propulsión de satélites comerciales [22] [23] [24] y misiones científicas. [25] [26] Su característica principal es que el proceso de ionización del propulsor está físicamente separado del proceso de aceleración de iones. [27]
El proceso de ionización tiene lugar en la cámara de descarga, donde al bombardear el propulsor con electrones energéticos, la energía transferida expulsa electrones de valencia de los átomos del gas propulsor. Estos electrones pueden ser proporcionados por un filamento catódico caliente y acelerados a través de la diferencia de potencial hacia un ánodo. Alternativamente, los electrones pueden acelerarse mediante un campo eléctrico inducido oscilante creado por un electroimán alterno, lo que da como resultado una descarga autosostenida sin cátodo (propulsor de iones de radiofrecuencia).
Los iones cargados positivamente se extraen mediante un sistema formado por 2 o 3 rejillas multiapertura. Después de ingresar al sistema de rejilla cerca de la vaina de plasma, los iones son acelerados por la diferencia de potencial entre la primera y la segunda rejilla (llamadas rejilla de pantalla y rejilla de acelerador, respectivamente) hasta la energía iónica final de (típicamente) 1–2 keV. , que genera empuje.
Los propulsores de iones emiten un haz de iones cargados positivamente. Para evitar que la nave espacial acumule carga, se coloca otro cátodo cerca del motor para emitir electrones en el haz de iones, dejando el propulsor eléctricamente neutro. Esto evita que el haz de iones sea atraído (y regresado) a la nave espacial, lo que cancelaría el empuje. [13]
Investigación sobre propulsores de iones electrostáticos en red (pasado/presente):
Los propulsores de efecto Hall aceleran los iones mediante un potencial eléctrico entre un ánodo cilíndrico y un plasma cargado negativamente que forma el cátodo. La mayor parte del propulsor (normalmente xenón) se introduce cerca del ánodo, donde se ioniza y fluye hacia el cátodo; Los iones aceleran hacia él y a través de él, recogiendo electrones a medida que salen para neutralizar el haz y abandonar el propulsor a alta velocidad.
El ánodo está en un extremo de un tubo cilíndrico. En el centro hay una punta enrollada para producir un campo magnético radial entre ella y el tubo circundante. Los iones no se ven afectados en gran medida por el campo magnético, ya que son demasiado masivos. Sin embargo, los electrones producidos cerca del final de la punta para crear el cátodo quedan atrapados por el campo magnético y se mantienen en su lugar gracias a su atracción hacia el ánodo. Algunos de los electrones descienden en espiral hacia el ánodo, circulando alrededor del pico en una corriente Hall. Al llegar al ánodo impactan el propulsor descargado y provocan que se ionice, antes de llegar finalmente al ánodo y completar el circuito. [30]
Los propulsores de propulsión eléctrica por emisión de campo (FEEP) pueden utilizar propulsores de cesio o indio . El diseño comprende un pequeño depósito de propulsor que almacena el metal líquido, un tubo estrecho o un sistema de placas paralelas por donde fluye el líquido y un acelerador (un anillo o una abertura alargada en una placa metálica) aproximadamente un milímetro más allá del extremo del tubo. El cesio y el indio se utilizan debido a sus elevados pesos atómicos, bajos potenciales de ionización y bajos puntos de fusión. Una vez que el metal líquido llega al final del tubo, un campo eléctrico aplicado entre el emisor y el acelerador hace que la superficie del líquido se deforme en una serie de cúspides sobresalientes, o conos de Taylor . Con un voltaje aplicado suficientemente alto, se extraen iones positivos de las puntas de los conos. [31] [32] [33] El campo eléctrico creado por el emisor y el acelerador acelera los iones. Una fuente externa de electrones neutraliza la corriente de iones cargada positivamente para evitar que la nave espacial se cargue.
Los propulsores inductivos pulsados (PIT) utilizan pulsos en lugar de empuje continuo y tienen la capacidad de funcionar con niveles de potencia del orden de megavatios (MW). Los PIT consisten en una gran bobina que rodea un tubo en forma de cono que emite el gas propulsor. El amoníaco es el gas más utilizado. Para cada pulso, se acumula una gran carga en un grupo de condensadores detrás de la bobina y luego se libera. Esto crea una corriente que se mueve circularmente en la dirección de jθ. Luego, la corriente crea un campo magnético en la dirección radial hacia afuera (Br), que luego crea una corriente en el gas que acaba de liberarse en la dirección opuesta a la corriente original. Esta corriente opuesta ioniza el amoníaco. Los iones cargados positivamente son acelerados alejándose del motor debido al campo eléctrico jθ que cruza el campo magnético Br, debido a la fuerza de Lorentz. [34]
Los propulsores magnetoplasmadinámicos (MPD) y los propulsores del acelerador de fuerza de litio Lorentz (LiLFA) utilizan aproximadamente la misma idea. El propulsor LiLFA se basa en el propulsor MPD. Como propulsor se pueden utilizar hidrógeno , argón , amoníaco y nitrógeno . En una determinada configuración, el gas ambiental en la órbita terrestre baja (LEO) se puede utilizar como propulsor. El gas ingresa a la cámara principal donde es ionizado en plasma por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo . Luego, este plasma conduce electricidad entre el ánodo y el cátodo, cerrando el circuito. Esta nueva corriente crea un campo magnético alrededor del cátodo, que se cruza con el campo eléctrico, acelerando así el plasma debido a la fuerza de Lorentz.
El propulsor LiLFA utiliza la misma idea general que el propulsor MPD, aunque con dos diferencias principales. En primer lugar, el LiLFA utiliza vapor de litio, que puede almacenarse en forma sólida. La otra diferencia es que el cátodo único se reemplaza por múltiples varillas catódicas más pequeñas empaquetadas en un tubo catódico hueco . Los cátodos MPD se corroen fácilmente debido al contacto constante con el plasma. En el propulsor LiLFA, el vapor de litio se inyecta en el cátodo hueco y no se ioniza hasta formar plasma ni corroe las varillas del cátodo hasta que sale del tubo. Luego, el plasma se acelera utilizando la misma fuerza de Lorentz . [35] [36] [37]
En 2013, la empresa rusa Chemical Automatics Design Bureau realizó con éxito una prueba en banco de su motor MPD para viajes espaciales de larga distancia. [38]
Los propulsores de plasma sin electrodos tienen dos características únicas: la eliminación de los electrodos de ánodo y cátodo y la capacidad de acelerar el motor. La eliminación de los electrodos elimina la erosión, lo que limita la vida útil de otros motores de iones. El gas neutro primero se ioniza mediante ondas electromagnéticas y luego se transfiere a otra cámara donde es acelerado por un campo eléctrico y magnético oscilante, también conocido como fuerza ponderomotriz . Esta separación de las etapas de ionización y aceleración permite estrangular el flujo de propulsor, lo que luego cambia la magnitud del empuje y los valores de impulso específicos. [39]
Un propulsor de doble capa de helicón es un tipo de propulsor de plasma que expulsa gas ionizado a alta velocidad para proporcionar empuje . En este diseño, el gas se inyecta en una cámara tubular (el tubo fuente ) con un extremo abierto. La energía CA de radiofrecuencia (a 13,56 MHz en el diseño del prototipo) se acopla a una antena de forma especial envuelta alrededor de la cámara. La onda electromagnética emitida por la antena hace que el gas se descomponga y forme plasma. Luego, la antena excita una onda de helicón en el plasma, que lo calienta aún más. El dispositivo tiene un campo magnético aproximadamente constante en el tubo fuente (suministrado por solenoides en el prototipo), pero el campo magnético diverge y disminuye rápidamente en magnitud lejos de la región de la fuente y podría considerarse como una especie de boquilla magnética . En funcionamiento, un límite definido separa el plasma de alta densidad dentro de la región de la fuente y el plasma de baja densidad en el escape, lo que está asociado con un cambio brusco en el potencial eléctrico. Las propiedades del plasma cambian rápidamente a través de este límite, que se conoce como doble capa eléctrica libre de corriente . El potencial eléctrico es mucho mayor dentro de la región fuente que en el escape y esto sirve tanto para confinar la mayoría de los electrones como para acelerar los iones lejos de la región fuente. Suficientes electrones escapan de la región fuente para garantizar que el plasma en el escape sea neutral en general.
El cohete de magnetoplasma de impulso específico variable propuesto (VASIMR) funciona utilizando ondas de radio para ionizar un propulsor en plasma y luego usando un campo magnético para acelerar el plasma fuera de la parte posterior del motor del cohete para generar empuje. El VASIMR está siendo desarrollado actualmente por Ad Astra Rocket Company , con sede en Houston , Texas , con la ayuda de Nautel , con sede en Canadá , y produce generadores de RF de 200 kW para propulsor ionizante. Algunos de los componentes y experimentos de "brotes de plasma" se prueban en un laboratorio radicado en Liberia, Costa Rica . Este proyecto está liderado por el exastronauta de la NASA Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Se estaba discutiendo la instalación de un motor de prueba VASIMR de 200 kW en el exterior de la Estación Espacial Internacional , como parte del plan para probar el VASIMR en el espacio; sin embargo, los planes para esta prueba a bordo de la ISS fueron cancelados en 2015 por la NASA , y Ad Astra discutió en su lugar una prueba VASIMR de vuelo libre. [40] Un motor previsto de 200 MW podría reducir la duración del vuelo desde la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y a Marte de 7 meses a 39 días. [41]
Con una subvención de investigación del Centro de Investigación Lewis de la NASA durante las décadas de 1980 y 1990, Martin C. Hawley y Jes Asmussen dirigieron un equipo de ingenieros en el desarrollo de un propulsor electrotérmico de microondas (MET). [42]
En la cámara de descarga, la energía de microondas (MW) fluye hacia el centro que contiene un alto nivel de iones (I), lo que provoca que las especies neutras del propulsor gaseoso se ionicen. Las especies excitadas fluyen hacia afuera (FES) a través de la región baja en iones (II) hacia una región neutra (III) donde los iones completan su recombinación , reemplazadas por el flujo de especies neutras (FNS) hacia el centro. Mientras tanto, la energía se pierde hacia las paredes de la cámara a través de la conducción y convección del calor (HCC), junto con la radiación (Rad). La energía restante absorbida por el propulsor gaseoso se convierte en empuje .
Se ha propuesto un sistema de propulsión teórico, basado en partículas alfa ( He2+
o4
2Él2+
indicando un ion de helio con una carga +2) emitido desde un radioisótopo unidireccionalmente a través de un agujero en su cámara. Un cañón de electrones neutralizante produciría una pequeña cantidad de empuje con un alto impulso específico del orden de millones de segundos debido a la alta velocidad relativista de las partículas alfa. [43]
Una variante de esto utiliza una rejilla a base de grafito con un alto voltaje de CC estático para aumentar el empuje, ya que el grafito tiene una alta transparencia para las partículas alfa si también se irradia con luz ultravioleta de onda corta a la longitud de onda correcta desde un emisor de estado sólido. También permite fuentes de menor energía y vida media más larga, lo que sería ventajoso para una aplicación espacial. También se ha sugerido el relleno de helio como una forma de aumentar el camino libre medio de los electrones.
El bajo empuje de los propulsores de iones requiere un funcionamiento continuo durante mucho tiempo para lograr el cambio de velocidad necesario ( delta-v ) para una misión en particular. Los propulsores de iones están diseñados para proporcionar un funcionamiento continuo durante intervalos de semanas a años.
La vida útil de los propulsores de iones electrostáticos está limitada por varios procesos.
En los diseños de rejilla electrostática, los iones de intercambio de carga producidos por los iones del haz con el flujo de gas neutro pueden acelerarse hacia la rejilla del acelerador con polarización negativa y provocar erosión de la rejilla. El final de su vida útil se alcanza cuando la estructura de la rejilla falla o los agujeros en la rejilla se vuelven lo suficientemente grandes como para que la extracción de iones se vea sustancialmente afectada (por ejemplo, por la aparición de retroceso de electrones). La erosión de la red no se puede evitar y es el principal factor limitante de la vida útil. El diseño minucioso de la rejilla y la selección de materiales permiten una vida útil de 20.000 horas o más.
Una prueba del propulsor de iones electrostáticos de preparación para la aplicación de tecnología solar (NSTAR) de la NASA resultó en 30.472 horas (aproximadamente 3,5 años) de empuje continuo a máxima potencia. El examen posterior a la prueba indicó que el motor no estaba a punto de fallar. [72] [3] [4] NSTAR operó durante años en Dawn .
El proyecto Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) de la NASA funcionó de forma continua durante más de 48.000 horas. [73] La prueba se realizó en una cámara de prueba de alto vacío. Durante la prueba, que duró más de cinco años y medio, el motor consumió aproximadamente 870 kilogramos de propulsor de xenón. El impulso total generado requeriría más de 10.000 kilogramos de propulsor de cohete convencional para una aplicación similar.
Los propulsores de efecto Hall sufren una fuerte erosión de la cámara de descarga cerámica por el impacto de iones energéticos: una prueba realizada en 2010 [74] mostró una erosión de alrededor de 1 mm por cien horas de funcionamiento, aunque esto no coincide con la vida útil observada en órbita de los propulsores. unos miles de horas.
Se espera que el Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica (AEPS) acumule unas 5.000 horas y el diseño pretende conseguir un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23.000 horas [75] y una vida útil completa de unas 50.000 horas. [76]
La energía de ionización representa un gran porcentaje de la energía necesaria para hacer funcionar los motores de iones. Por tanto, el propulsor ideal es fácil de ionizar y tiene una alta relación masa/energía de ionización. Además, el propulsor no debería erosionar en gran medida el propulsor, para permitir una larga vida útil, y no debería contaminar el vehículo. [77]
Muchos diseños actuales utilizan gas xenón , ya que es fácil de ionizar, tiene un número atómico razonablemente alto, es inerte y provoca poca erosión. Sin embargo, el xenón escasea a nivel mundial y es caro (aproximadamente 3.000 dólares por kg en 2021). [78]
Algunos diseños más antiguos de propulsores de iones utilizaban propulsor de mercurio . Sin embargo, el mercurio es tóxico, tiende a contaminar las naves espaciales y es difícil alimentarlo con precisión. Un prototipo comercial moderno puede estar utilizando mercurio con éxito. [79] El mercurio fue prohibido formalmente como propulsor en 2022 por el Convenio de Minamata sobre el Mercurio . [80]
Entre 2018 y 2023, el criptón se utilizó para alimentar los propulsores de efecto Hall a bordo de los satélites de Internet Starlink , en parte debido a su menor costo que el propulsor de xenón convencional . [81] Desde entonces, los satélites Starlink V2-mini han cambiado a propulsores de efecto Hall de argón , que proporcionan un mayor impulso específico. [82]
Otros propulsores, como el bismuto y el yodo , son prometedores tanto para diseños sin rejilla como los propulsores de efecto Hall [58] [59] [60] como para los propulsores de iones con rejilla. [83]
El yodo se utilizó como propulsor por primera vez en el espacio, en el propulsor de iones en red NPT30-I2 de ThrustMe , a bordo de la misión Beihangkongshi-1 lanzada en noviembre de 2020, [84] [85] [86] con un extenso informe publicado un año después en la revista Nature . [87] El propulsor ambipolar CubeSat (CAT) utilizado en el conjunto de satélites de investigación ionosféricos de Marte utilizando la misión del propulsor ambipolar CubeSat (MARS-CAT) también propone utilizar yodo sólido como propulsor para minimizar el volumen de almacenamiento. [67] [68]
Los diseños VASIMR (y otros motores basados en plasma) teóricamente pueden utilizar prácticamente cualquier material como propulsor. Sin embargo, en las pruebas actuales el propulsor más práctico es el argón , que es relativamente abundante y económico.
La eficiencia del propulsor de iones es la energía cinética del chorro de escape emitido por segundo dividida por la energía eléctrica del dispositivo.
La eficiencia energética general del sistema está determinada por la eficiencia de propulsión , que depende de la velocidad del vehículo y de la velocidad de escape. Algunos propulsores pueden variar la velocidad de escape durante el funcionamiento, pero todos pueden diseñarse con diferentes velocidades de escape. En el extremo inferior del impulso específico, I sp , la eficiencia general cae porque la ionización consume un mayor porcentaje de energía y en el extremo superior se reduce la eficiencia propulsiva.
Las eficiencias y velocidades de escape óptimas para cualquier misión determinada se pueden calcular para obtener un costo total mínimo.
Los propulsores de iones tienen muchas aplicaciones de propulsión en el espacio. Las mejores aplicaciones aprovechan el largo intervalo de misión cuando no se necesita un empuje significativo. Ejemplos de esto incluyen transferencias de órbita, ajustes de actitud , compensación de resistencia para órbitas terrestres bajas , ajustes finos para misiones científicas y transporte de carga entre depósitos de propulsores , por ejemplo, para combustibles químicos. Los propulsores de iones también se pueden utilizar para misiones interplanetarias y en el espacio profundo donde las tasas de aceleración no son cruciales. Los propulsores de iones se consideran la mejor solución para estas misiones, ya que requieren grandes cambios de velocidad pero no requieren una aceleración rápida. El propulsor continuo durante períodos prolongados puede alcanzar altas velocidades y consumir mucho menos propulsor que los cohetes químicos tradicionales.
Los sistemas de propulsión iónica se demostraron por primera vez en el espacio mediante las misiones Lewis (ahora Centro de Investigación Glenn) de la NASA , Prueba de Cohetes Eléctricos Espaciales (SERT) -1 y SERT-2A. [25] El 20 de julio de 1964 se lanzó un vuelo suborbital SERT-1 y se demostró con éxito que la tecnología funcionaba según lo previsto en el espacio. Se trataba de propulsores de iones electrostáticos que utilizaban mercurio y cesio como masa de reacción. SERT-2A, lanzado el 4 de febrero de 1970, [14] [88] verificó el funcionamiento de dos motores de iones de mercurio durante miles de horas de funcionamiento. [14]
Los propulsores de iones se utilizan habitualmente para el mantenimiento de estaciones en satélites de comunicaciones comerciales y militares en órbita geosincrónica. La Unión Soviética fue pionera en este campo, utilizando propulsores de plasma estacionarios (SPT) en satélites a principios de la década de 1970.
Dos satélites geoestacionarios ( Artemis de la ESA en 2001-2003 [89] y el AEHF-1 del ejército de los Estados Unidos en 2010-2012 [90] ) utilizaron el propulsor de iones para cambiar de órbita después de que fallara el motor de propulsor químico. Boeing [91] comenzó a utilizar propulsores de iones para el mantenimiento de estaciones en 1997 y planeó en 2013-2014 ofrecer una variante en su plataforma 702, sin motor químico y propulsores de iones para elevar la órbita; esto permite una masa de lanzamiento significativamente menor para una capacidad de satélite determinada. AEHF-2 utilizó un motor químico para elevar el perigeo a 16.330 km (10.150 millas) y procedió a una órbita geosincrónica utilizando propulsión eléctrica. [92]
La estación espacial china Tiangong está equipada con propulsores de iones. El módulo central de Tianhe está propulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores de efecto Hall, [93] que se utilizan para ajustar y mantener la órbita de la estación. El desarrollo de los propulsores de efecto Hall se considera un tema delicado en China, y los científicos "trabajan para mejorar la tecnología sin llamar la atención". Los propulsores de efecto Hall se crean teniendo en cuenta la seguridad de las misiones tripuladas y esforzándose por evitar la erosión y los daños causados por las partículas de iones aceleradas. Se creó un campo magnético y un escudo cerámico especialmente diseñado para repeler partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia de Ciencias de China , el motor de iones utilizado en Tiangong ha ardido continuamente durante 8.240 horas sin ningún problema, lo que indica su idoneidad para la vida útil de 15 años designada para la estación espacial china. [94] Este es el primer propulsor Hall del mundo en una misión con calificación humana. [7]
La constelación de satélites Starlink de SpaceX utiliza propulsores de efecto Hall impulsados por criptón o argón para elevar la órbita, realizar maniobras y salir de órbita al final de su uso. [95]
El Explorador de Circulación Oceánica en Estado Estacionario y Campo Gravitatorio (GOCE) de la ESA fue lanzado el 16 de marzo de 2009. Empleó propulsión iónica durante sus veinte meses de misión para combatir la resistencia aerodinámica que experimentó en su órbita baja (altitud de 255 kilómetros). antes de salir de órbita intencionalmente el 11 de noviembre de 2013.
La NASA desarrolló el motor de iones NSTAR para su uso en misiones científicas interplanetarias a partir de finales de los años 1990. Fue probado en el espacio en la exitosa sonda espacial Deep Space 1 , lanzada en 1998. Este fue el primer uso de la propulsión eléctrica como sistema de propulsión interplanetaria en una misión científica. [25] Basado en los criterios de diseño de la NASA, Hughes Research Labs desarrolló el sistema de propulsión de iones de xenón (XIPS) para realizar el mantenimiento de estaciones en satélites geosincrónicos . [96] Hughes (EDD) fabricó el propulsor NSTAR utilizado en la nave espacial.
La sonda espacial Hayabusa de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial fue lanzada en 2003 y se encontró con éxito con el asteroide 25143 Itokawa . Estaba propulsado por cuatro motores de iones de xenón, que utilizaban resonancia de ciclotrón de electrones de microondas para ionizar el propulsor y un material compuesto de carbono/carbono resistente a la erosión para su rejilla de aceleración. [97] Aunque los motores de iones de Hayabusa experimentaron dificultades técnicas, la reconfiguración en vuelo permitió reparar uno de los cuatro motores y permitió que la misión regresara con éxito a la Tierra. [98]
Hayabusa2 , lanzado en 2014, se basó en Hayabusa. También utilizó propulsores de iones. [99]
El satélite SMART-1 de la Agencia Espacial Europea se lanzó en 2003 utilizando un propulsor Snecma PPS-1350 -G Hall para pasar del GTO a la órbita lunar. Este satélite completó su misión el 3 de septiembre de 2006, en una colisión controlada en la superficie de la Luna , después de una desviación de trayectoria para que los científicos pudieran ver el cráter de 3 metros creado por el impacto en la cara visible de la Luna.
Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres . Utilizó tres propulsores de iones de xenón tradicionales de Deep Space 1 (disparando uno a la vez). El propulsor iónico de Dawn es capaz de acelerar de 0 a 97 km/h (60 mph) en 4 días de disparo continuo. [100] La misión terminó el 1 de noviembre de 2018, cuando la nave espacial se quedó sin propulsor químico de hidracina para sus propulsores de actitud. [101]
LISA Pathfinder es una nave espacial de la ESA lanzada en 2015 para orbitar el punto L1 Sol-Tierra. No utiliza propulsores de iones como sistema de propulsión principal, pero utiliza propulsores coloides y FEEP para un control preciso de la actitud ; los bajos empujes de estos dispositivos de propulsión hacen posible mover la nave espacial distancias incrementales con precisión. Es una prueba para la misión LISA . La misión finalizó el 30 de diciembre de 2017.
La misión BepiColombo de la ESA se lanzó a Mercurio el 20 de octubre de 2018. [102] Utiliza propulsores de iones en combinación con oscilaciones para llegar a Mercurio, donde un cohete químico completará la inserción en órbita.
La prueba de redirección de doble asteroide (DART) de la NASA se lanzó en 2021 y operó su propulsor de iones de xenón NEXT-C durante aproximadamente 1000 horas para alcanzar el asteroide objetivo el 28 de septiembre de 2022.
La nave espacial Psyche de la NASA se lanzó en 2023 y está operando su propulsor de iones de xenón SPT-140 para alcanzar el asteroide 16 Psyche en agosto de 2029.
En marzo de 2011 , se estaba considerando [actualizar]el lanzamiento futuro de un propulsor electromagnético VASIMR de 200 kW Ad Astra VF-200 para realizar pruebas en la Estación Espacial Internacional (ISS). [103] [104] Sin embargo, en 2015, la NASA puso fin a los planes para volar el VF-200 a la ISS. Un portavoz de la NASA afirmó que la ISS "no era una plataforma de demostración ideal para el nivel de rendimiento deseado de los motores". Ad Astra afirmó que las pruebas de un propulsor VASIMR en la ISS seguirían siendo una opción después de una futura demostración en el espacio. [40]
El VF-200 habría sido una versión de vuelo del VX-200 . [105] [106] Dado que la potencia disponible de la ISS es inferior a 200 kW, la ISS VASIMR habría incluido un sistema de batería de carga lenta que permitía pulsos de empuje de 15 minutos. La ISS orbita a una altitud relativamente baja y experimenta niveles bastante altos de resistencia atmosférica , lo que requiere aumentos periódicos de altitud ; un motor de alta eficiencia (alto impulso específico) para el mantenimiento de la posición sería valioso; En teoría, el reinicio de VASIMR podría reducir el costo del combustible de los actuales 210 millones de dólares anuales a una vigésima parte. [103] En teoría, VASIMR podría usar tan solo 300 kg de gas argón para el mantenimiento de la estación en la ISS en lugar de 7500 kg de combustible químico: la alta velocidad de escape (alto impulso específico ) lograría la misma aceleración con una menor cantidad de propulsor. en comparación con la propulsión química, con su menor velocidad de escape que necesita más combustible. [107] La ISS genera hidrógeno como subproducto y se ventila al espacio.
La NASA trabajó anteriormente en un propulsor de efecto Hall de 50 kW para la ISS, pero el trabajo se detuvo en 2005. [107]
El elemento de potencia y propulsión (PPE) es un módulo del Lunar Gateway que proporciona capacidades de generación de energía y propulsión. Su objetivo es lanzarlo en un vehículo comercial en enero de 2024. [108] Probablemente utilizaría el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) de 50 kW que se está desarrollando en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y Aerojet Rocketdyne . [75]
La misión MARS-CAT (Mars Array of ionospheric Research Satellites uses the CubeSat Ambipolar Thruster) es una misión conceptual de dos CubeSat 6U para estudiar la ionosfera de Marte. La misión investigaría su estructura plasmática y magnética, incluidas las estructuras de plasma transitorias, la estructura del campo magnético, la actividad magnética y la correlación con los impulsores del viento solar. [67] El propulsor CAT ahora se llama propulsor RF y es fabricado por Phase Four. [68]
Geoffrey A. Landis propuso utilizar un propulsor de iones impulsado por un láser espacial, junto con una vela luminosa, para impulsar una sonda interestelar. [109] [110]
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{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .estado líquido y sube por el vástago de la aguja hasta la punta, donde altos campos eléctricos deforman el líquido y extraen iones y los aceleran hasta 130 km/s a través de 10 kV.
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. Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .
