Un motor de propulsión de plasma es un tipo de propulsión eléctrica que genera empuje a partir de un plasma casi neutro . Esto contrasta con los motores de propulsión de iones , que generan empuje extrayendo una corriente de iones de la fuente de plasma , que luego se acelera a altas velocidades utilizando rejillas/ ánodos . Estos existen en muchas formas (ver propulsión eléctrica ). Sin embargo, en la literatura científica, el término "propulsor de plasma" a veces engloba propulsores habitualmente denominados " motores de iones ". [1]
Los propulsores de plasma no suelen utilizar rejillas o ánodos/ cátodos de alto voltaje para acelerar las partículas cargadas en el plasma, sino que utilizan corrientes y potenciales que se generan internamente para acelerar los iones, lo que da como resultado una menor velocidad de escape dada la falta de altos voltajes de aceleración. .
Este tipo de propulsor tiene una serie de ventajas. La falta de rejillas de alto voltaje de los ánodos elimina un posible elemento limitante como resultado de la erosión iónica de la rejilla. El escape de plasma es "cuasi neutro", lo que significa que existen iones positivos y electrones en igual número, lo que permite una simple recombinación ion-electrón en el escape para neutralizar la columna de escape, eliminando la necesidad de un cañón de electrones (cátodo hueco). Un propulsor de este tipo a menudo genera la fuente de plasma utilizando radiofrecuencia o energía de microondas , utilizando una antena externa . Este hecho, combinado con la ausencia de cátodos huecos (que son sensibles a todos los gases excepto a los gases nobles ), permite la posibilidad de utilizar este propulsor con una variedad de propulsores, desde argón hasta mezclas de aire y dióxido de carbono y orina de astronauta . [2]
Los motores de plasma son muy adecuados para misiones interplanetarias debido a su elevado impulso específico. [3]
Muchas agencias espaciales desarrollaron sistemas de propulsión de plasma, incluida la Agencia Espacial Europea , la Agencia Espacial Iraní y la Universidad Nacional de Australia , que desarrollaron conjuntamente un propulsor de doble capa . [4] [5]
Algunos motores de plasma han tenido tiempo de vuelo activo y se han utilizado en misiones. El primer uso de motores de plasma fue un propulsor de plasma pulsado 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 fue probado durante 70 minutos el 14 de diciembre de 1964, cuando la nave espacial se encontraba a 4,2 millones de kilómetros de la Tierra. [6]
En 2011, la NASA se asoció con Busek para lanzar el primer propulsor de efecto Hall a bordo del satélite Tacsat-2 . El propulsor era el principal sistema de propulsión del satélite. Ese año la empresa lanzó otro propulsor de efecto hall. [7] En 2020, la Universidad de Wuhan publicó una investigación sobre un chorro de plasma . [8] Sin embargo, posteriormente se demostró que las estimaciones de empuje publicadas en ese trabajo eran casi nueve veces los niveles teóricamente posibles, incluso si el 100% de la potencia de microondas de entrada se convirtiera en empuje. [9]
Ad Astra Rocket Company está desarrollando VASIMR. La empresa canadiense Nautel produce los generadores de RF de 200 kW necesarios para ionizar el propulsor. Algunas pruebas de componentes y experimentos de "Plasma Shoot" se realizan en un laboratorio de Liberia, Costa Rica . Este proyecto está liderado por el ex astronauta de la NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).
La Alianza Aeroespacial de Costa Rica anunció el desarrollo de un soporte exterior para el VASIMR que se instalará fuera de la Estación Espacial Internacional . Se esperaba que esta fase del plan para probar el VASIMR en el espacio se llevara a cabo en 2016.
Los motores de plasma tienen un valor de impulso específico ( I sp ) mucho más alto que la mayoría de los otros tipos de tecnología de cohetes. El propulsor VASIMR se puede acelerar durante un impulso superior a 12 000 s, y los propulsores Hall han alcanzado ~2 000 s. Esta es una mejora significativa con respecto a los combustibles bipropulsores de los cohetes químicos convencionales, que presentan impulsos específicos de ~450 s. [10] Con un alto impulso, los propulsores de plasma son capaces de alcanzar velocidades relativamente altas durante períodos prolongados de aceleración. El exastronauta Franklin Chang-Diaz afirma que el propulsor VASIMR podría enviar una carga útil a Marte en tan solo 39 días [11] y alcanzar una velocidad máxima de 34 millas por segundo (55 km/s). [ cita necesaria ]
Ciertos propulsores de plasma, como el minihelicón, son aclamados por su simplicidad y eficiencia. Su teoría de funcionamiento es relativamente simple y puede utilizar una variedad de gases o combinaciones.
Estas cualidades sugieren que los propulsores de plasma son valiosos para muchos perfiles de misión. [12]
Posiblemente el desafío más importante para la viabilidad de los propulsores de plasma sea el requisito energético. [5] El motor VX-200, por ejemplo, requiere 200 kW de potencia eléctrica para producir 5 N de empuje, o 40 kW/N. Este requisito de energía puede satisfacerse mediante reactores de fisión, pero la masa del reactor (incluidos los sistemas de eliminación de calor) puede resultar prohibitiva. [13] [14]
Otro desafío es la erosión del plasma. Mientras está en funcionamiento, el plasma puede eliminar térmicamente las paredes de la cavidad del propulsor y la estructura de soporte, lo que eventualmente puede provocar una falla del sistema. [15]
Debido a su empuje extremadamente bajo, los motores de plasma no son adecuados para su lanzamiento a la órbita terrestre. En promedio, estos cohetes proporcionan alrededor de 2 libras de empuje máximo. [10] Los propulsores de plasma son muy eficientes en el espacio abierto, pero no hacen nada para compensar el gasto orbital de los cohetes químicos.
Los propulsores de plasma Helicon utilizan ondas electromagnéticas de baja frecuencia (ondas Helicon) que existen dentro del plasma cuando se exponen a un campo magnético estático. Una antena de RF que envuelve una cámara de gas crea ondas y excita el gas, creando plasma. El plasma se expulsa a alta velocidad para producir empuje mediante estrategias de aceleración que requieren varias combinaciones de campos eléctricos y magnéticos de topología ideal . Pertenecen a la categoría de propulsores sin electrodos. Estos propulsores admiten múltiples propulsores, lo que los hace útiles para misiones más largas. Pueden estar hechos de materiales simples, incluida una botella de refresco de vidrio. [12]
Los propulsores magnetoplasmadinámicos (MPD) utilizan la fuerza de Lorentz (una fuerza resultante de la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica ) para generar empuje. La carga eléctrica que fluye a través del plasma en presencia de un campo magnético hace que el plasma se acelere . La fuerza de Lorentz también es crucial para el funcionamiento de la mayoría de los propulsores de plasma pulsado .
Los propulsores inductivos pulsados (PIT) también utilizan la fuerza de Lorentz para generar empuje, pero no utilizan electrodos, lo que resuelve el problema de la erosión. La ionización y las corrientes eléctricas en el plasma son inducidas por un campo magnético que varía rápidamente.
Los propulsores de plasma sin electrodos utilizan la fuerza ponderomotriz que actúa sobre cualquier plasma o partícula cargada cuando está bajo la influencia de un fuerte gradiente de densidad de energía electromagnética para acelerar los electrones y los iones del plasma en la misma dirección, operando así sin un neutralizador.
VASIMR, abreviatura de Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable, utiliza ondas de radio para ionizar un propulsor en plasma. Luego, un campo magnético acelera el plasma fuera del motor, generando empuje . Un motor VASIMR de 200 megavatios podría reducir el tiempo de viaje de la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y de la Tierra a Marte de 6 meses a 39 días. [7]
