La propulsión eléctrica atmosférica , o propulsión eléctrica que respira aire , abreviada como ABEP, [1] es una tecnología de propulsión para naves espaciales que podría permitir la generación de empuje en órbitas bajas sin necesidad de combustible a bordo, utilizando gases residuales en la atmósfera como combustible. La propulsión eléctrica atmosférica podría hacer factible una nueva clase de misiones de órbita baja y de larga duración.
El concepto está siendo investigado actualmente por la Agencia Espacial Europea (ESA), [2] el proyecto BREATHE financiado por la UE en la Escuela de Estudios Avanzados Sant'Anna en Pisa y el proyecto DISCOVERER financiado por la UE . [3] Los propulsores eléctricos convencionales de última generación actuales no pueden mantener el vuelo a bajas altitudes durante períodos superiores a unos dos años, [4] debido a la limitación en el almacenamiento de combustible y en la cantidad de empuje generado, que obligan a la órbita de la nave espacial a decaer. La ESA anunció oficialmente la primera demostración exitosa en tierra del prototipo RAM-EP en marzo de 2018. [5]
Un ABEP está compuesto por una entrada y un propulsor eléctrico: los gases enrarecidos que son responsables del arrastre en la órbita terrestre baja (LEO) y la órbita terrestre muy baja (VLEO), se utilizan como propulsor . [6] [7] Esta tecnología permitiría idealmente a los S/C orbitar a altitudes muy bajas (< 400 km alrededor de la Tierra) sin la necesidad de propulsor a bordo, lo que permitiría misiones de mayor duración en una nueva sección de altitudes de la atmósfera. Esta ventaja hace que la tecnología sea de interés para misiones científicas, servicios de vigilancia militar y civil, así como servicios de comunicación de órbita baja con latencia aún menor que Starlink .
Se utilizará una entrada especial para recoger las moléculas de gas y dirigirlas al propulsor, que las ionizará y las expulsará de la etapa de aceleración a una velocidad muy alta, generando empuje. La energía eléctrica necesaria puede ser proporcionada por los mismos subsistemas de energía desarrollados para los sistemas de propulsión eléctrica actuales, probablemente una combinación de paneles solares y baterías, aunque se pueden considerar otros tipos de subsistemas de energía eléctrica. Un ABEP podría extender la vida útil de los satélites en LEO y VLEO compensando la resistencia atmosférica durante su tiempo de operación. La altitud para un ABEP en órbita terrestre puede optimizarse entre 120 y 250 km. [8] Esta tecnología también podría utilizarse en cualquier planeta con atmósfera, si el propulsor puede procesar otros propulsores y si la fuente de energía puede proporcionar la energía requerida, por ejemplo, suficiente irradiación solar para los paneles solares, como Marte y Venus , de lo contrario, se deben implementar otros subsistemas de energía eléctrica como un reactor nuclear espacial o un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), por ejemplo para una misión alrededor de Titán .
Los primeros estudios que consideran la recolección y uso de la atmósfera superior como propulsor para un propulsor eléctrico se pueden encontrar ya en 1959 con los estudios sobre el acumulador de fluido propulsor de ST Demetriades. [9] [10] [11] [12]
En el desarrollo de motores iónicos que respiran atmósfera, una extensión notable de la Ley de Child condujo a su implementación en el concepto ABEP en 1995. [13] [14] Originalmente, la Ley de Child modelaba el flujo de carga entre un ánodo y un cátodo con el supuesto de que la velocidad inicial de los iones era cero. Sin embargo, este supuesto no es aplicable a los propulsores iónicos que operan en la órbita terrestre baja, donde el gas ambiental ingresa a la cámara de ionización a altas velocidades.
Buford Ray Conley proporcionó una generalización de la Ley de Child que explica una velocidad inicial de iones distinta de cero. Esta adaptación ha sido importante para el modelado teórico de los sistemas de propulsión iónica, en particular los que funcionan en las condiciones enrarecidas de la órbita terrestre baja.
La generalización de la Ley de Child tiene implicaciones para el diseño y la eficiencia de los propulsores iónicos que respiran atmósfera. Al tener en cuenta el gas ambiental de alta velocidad que entra en la cámara de ionización en la órbita baja de la Tierra, la ley modificada permite un modelado teórico más preciso. Una vez que el gas ambiental se ioniza en la cámara, se acelera electromagnéticamente para salir por el escape, lo que contribuye a la propulsión de la nave espacial.
El RAM-EP de la ESA, diseñado y desarrollado por SITAEL en Italia , se probó por primera vez en laboratorio en mayo de 2017. [15] [16] [17]
El Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart está desarrollando la entrada y el propulsor, este último es el Propulsor de Plasma basado en helicón RF (IPT), [18] [19] que se encendió por primera vez en marzo de 2020, véase el comunicado de prensa del IRS Uni Stuttgart. Un dispositivo de este tipo tiene la principal ventaja de que no hay componentes en contacto directo con el plasma, lo que minimiza la degradación del rendimiento con el tiempo debido a la erosión de los propulsores agresivos, como el oxígeno atómico en VLEO, y no requiere un neutralizador. La entrada y el propulsor se desarrollan en el marco del proyecto DISCOVERER EU H2020.
Las entradas se han diseñado en múltiples estudios y se basan en condiciones de flujo molecular libre y en modelos de interacción gas-superficie: basándose en las propiedades de reflexión especular de los materiales de entrada, se pueden lograr eficiencias elevadas teóricamente utilizando diseños similares a telescopios. Con propiedades de reflexión totalmente difusa, las eficiencias son generalmente más bajas, pero con un mecanismo de atrapamiento también se puede mejorar la distribución de presión frente al propulsor. [20]
La start-up británica NewOrbit Space lleva desde 2021 desarrollando un sistema de propulsión eléctrica que respira aire y ha logrado varios hitos en el proceso. Cabe destacar que NewOrbit se convirtió en la primera empresa del sector en operar y neutralizar con éxito un motor iónico completamente con aire atmosférico en una cámara de vacío. Los resultados de las pruebas iniciales han mostrado un impulso específico de 6.380 segundos, con el motor acelerando el aire entrante a velocidades superiores a los 200.000 km/h. Este avance permite que el sistema de propulsión genere suficiente empuje para superar la resistencia atmosférica en una órbita terrestre muy baja, lo que permite el funcionamiento sostenible de las naves espaciales a altitudes inferiores a los 200 km. [21] [22]
Busek Co. Inc. en los EE. UU. patentó su concepto de un propulsor de efecto Hall que respira aire (ABHET) en 2004, [23] y con financiación del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA , comenzó en 2011 un estudio de viabilidad que se aplicaría a Marte (Marte-ABHET o MABHET), donde el sistema respiraría e ionizaría el dióxido de carbono atmosférico . [24] El concepto MABHET se basa en los mismos principios generales que el motor de iones que respira aire (ABIE) de JAXA o el RAM-EP de la ESA. [25]
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