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 iónica , que generan empuje mediante la extracción de una corriente iónica de la fuente de plasma , que luego se acelera a altas velocidades mediante rejillas/ ánodos . Estos existen en muchas formas (véase propulsión eléctrica ). Sin embargo, en la literatura científica, el término "propulsor de plasma" a veces engloba propulsores generalmente designados como " motores iónicos ". [1]
Los propulsores de plasma normalmente no utilizan rejillas de alto voltaje ni ánodos/ cátodos 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 ánodos elimina un posible elemento limitante como resultado de la erosión iónica de la rejilla. El escape de plasma es "cuasi-neutral", lo que significa que los iones positivos y los electrones existen en igual número, lo que permite una simple recombinación de iones y electrones 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 el plasma fuente utilizando energía de radiofrecuencia o microondas , utilizando una antena externa . Este hecho, combinado con la ausencia de cátodos huecos (que son sensibles a todos los gases excepto a los nobles ), permite la posibilidad de utilizar este propulsor en una variedad de propulsores, desde argón hasta mezclas de aire con dióxido de carbono y orina de astronautas . [2]
Los motores de plasma son adecuados para misiones interplanetarias debido a su alto impulso específico. [3]
Muchas agencias espaciales desarrollaron sistemas de propulsión de plasma, incluidas la Agencia Espacial Europea , la Agencia Espacial Iraní y la Universidad Nacional Australiana , que co-desarrollaron 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 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. [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. La empresa lanzó otro propulsor de efecto Hall ese año. [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 superiores a los niveles teóricamente posibles incluso si el 100% de la potencia de microondas de entrada se convirtiera en empuje. [9]
La empresa Ad Astra Rocket Company está desarrollando el VASIMR. La empresa canadiense Nautel está produciendo los generadores de RF de 200 kW necesarios para ionizar el combustible. Algunas pruebas de componentes y experimentos de "Plasma Shoot" se realizan en un laboratorio de Liberia, Costa Rica . Este proyecto está dirigido por el ex astronauta de la NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).
La Alianza Aeroespacial Costarricense 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 puede regularse para un impulso mayor de 12000 s, y los propulsores Hall han alcanzado ~2000 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 impulso alto, los propulsores de plasma son capaces de alcanzar velocidades relativamente altas durante períodos prolongados de aceleración. El ex astronauta Franklin Chang-Diaz afirma que el propulsor VASIMR podría enviar una carga útil a Marte en tan solo 39 días [11] mientras alcanza una velocidad máxima de 34 millas por segundo (55 km/s). [ cita requerida ]
Algunos propulsores de plasma, como el mini-helicón, son elogiados por su simplicidad y eficiencia. Su teoría de funcionamiento es relativamente simple y puede utilizar una variedad de gases o combinaciones de ellos.
Estas cualidades sugieren que los propulsores de plasma tienen valor para muchos perfiles de misión. [12]
Posiblemente el mayor desafío para la viabilidad de los propulsores de plasma sea el requerimiento de energía. [5] El motor VX-200, por ejemplo, requiere 200 kW de potencia eléctrica para producir 5 N de empuje, o 40 kW/N. Este requerimiento de potencia puede ser satisfecho por reactores de fisión, pero la masa del reactor (incluyendo los sistemas de rechazo de calor) puede resultar prohibitiva. [13] [14]
Otro desafío es la erosión del plasma. Durante el funcionamiento, el plasma puede desgastar térmicamente las paredes de la cavidad del propulsor y la estructura de soporte, lo que puede provocar una falla del sistema. [15]
Debido a su empuje extremadamente bajo, los motores de plasma no son adecuados para el 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 a través de 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 e iones del plasma en la misma dirección, funcionando así sin un neutralizador.
VASIMR, abreviatura de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, utiliza ondas de radio para ionizar un propulsor y convertirlo en plasma. Luego, un campo magnético acelera el plasma fuera del motor, lo que genera 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 seis meses a 39 días. [7]
