Un propulsor iónico , un motor iónico o un motor iónico es una forma de propulsión eléctrica que se utiliza para la propulsión de naves espaciales . Un propulsor iónico 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 iónicos se clasifican como electrostáticos o electromagnéticos .
Los iones del propulsor electrostático 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 que hayan pasado a través de la rejilla electrostática, de modo que el gas se vuelve neutro nuevamente 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 denominan específicamente motores de propulsión de plasma , donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración. [1] [2]
Los propulsores iónicos 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 propulsiva 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 iónico, modificó su 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 fue solo la mitad de eficiente, ya que requirió 425 kg (937 lb) de xenón. [6]
Las aplicaciones incluyen el control de la orientación y posición de satélites en órbita (algunos satélites tienen docenas de propulsores iónicos 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 son generalmente prácticos sólo 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 la atmósfera ". El Instituto Tecnológico de Massachusetts (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. Un motor iónico normalmente 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 de lanzamiento sin cohetes para alcanzar su órbita inicial .
La primera persona que escribió un artículo presentando la idea públicamente fue Konstantin Tsiolkovsky en 1911. [8] La técnica fue recomendada 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 ideas sobre el ahorro de masa 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]
En 1959, Harold R. Kaufman construyó un propulsor iónico funcional en las instalaciones del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Era similar a un propulsor iónico electrostático enrejado y utilizaba mercurio como combustible. Se realizaron pruebas suborbitales durante la década de 1960 y en 1964, y el motor se envió 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] A esta prueba le siguió una prueba orbital, SERT-2, en 1970. [14] [15]
El 12 de octubre de 1964, el Voskhod 1 realizó pruebas con propulsores iónicos que habían sido fijados al exterior de la nave espacial. [16]
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 funcionaron en satélites soviéticos desde 1972 hasta finales de la década de 1990, utilizados principalmente para la estabilización de satélites en direcciones norte-sur y este-oeste. Unos 100-200 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 laboratorios soviéticos.
Los propulsores iónicos utilizan haces de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) para crear empuje de acuerdo con la conservación del momento . El método de aceleración de 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 requerida, pero aumenta la cantidad de potencia específica requerida en comparación con los cohetes químicos . Por lo tanto, los propulsores iónicos pueden lograr altos impulsos específicos . 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 energía. Este bajo empuje hace que los propulsores iónicos no sean adecuados para lanzar naves espaciales a la órbita, pero sí efectivos para la propulsión en el espacio durante períodos de tiempo más largos.
Los propulsores iónicos se clasifican en electrostáticos y electromagnéticos . La principal diferencia es el método de aceleración de los iones.
La energía eléctrica para los propulsores iónicos se suele obtener mediante paneles solares . Sin embargo, para distancias suficientemente grandes del sol, se puede utilizar energía nuclear . En cada caso, la masa de la fuente de alimentación es proporcional a la potencia pico que se puede suministrar y ambas proporcionan, para esta aplicación, casi ningún límite a la 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 notando que , esto puede analizarse. Un propulsor NSTAR que produzca 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, en contraste con las quemas muy cortas de los cohetes químicos.
Dónde:
El propulsor iónico no es el tipo más prometedor de propulsión eléctrica para naves espaciales , pero es el más exitoso en la práctica hasta la fecha. [4] Un motor iónico necesitaría 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 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 sección transversal del motor). [4] Los propulsores iónicos 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 alto empuje, pero están limitados en el impulso total por la pequeña cantidad de energía que se puede almacenar químicamente en los propulsores. [20] Dado el peso práctico de las fuentes de energía adecuadas, la aceleración de un propulsor iónico es con frecuencia 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 iónicos electrostáticos en rejilla 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 se lleva a cabo en la cámara de descarga, donde se bombardea el propulsor con electrones energéticos, ya que 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 ser acelerados por un campo eléctrico inducido oscilante creado por un electroimán alterno, lo que da como resultado una descarga autosostenida sin cátodo (propulsor iónico de radiofrecuencia).
Los iones con carga positiva se extraen mediante un sistema que consta de 2 o 3 rejillas de múltiples aberturas. Después de entrar en el sistema de rejilla cerca de la envoltura de plasma, los iones se aceleran mediante la diferencia de potencial entre la primera y la segunda rejilla (llamadas rejilla de pantalla y rejilla aceleradora, respectivamente) hasta la energía iónica final de (normalmente) 1-2 keV, que genera empuje.
Los propulsores iónicos emiten un haz de iones con carga positiva. Para evitar que la nave espacial acumule carga, se coloca otro cátodo cerca del motor para emitir electrones hacia el haz de iones, lo que deja al propulsor eléctricamente neutro. Esto evita que el haz de iones sea atraído (y regrese) hacia la nave espacial, lo que cancelaría el empuje. [13]
Investigación sobre propulsores iónicos electrostáticos enrejados (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 se aceleran hacia él y a través de él, recogiendo electrones a medida que salen para neutralizar el haz y salir del propulsor a alta velocidad.
El ánodo se encuentra en un extremo de un tubo cilíndrico. En el centro hay una punta que se enrolla 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 extremo de la punta para crear el cátodo quedan atrapados por el campo magnético y se mantienen en su lugar por su atracción hacia el ánodo. Algunos de los electrones descienden en espiral hacia el ánodo, circulando alrededor de la punta en una corriente Hall . Cuando llegan al ánodo, impactan el propulsor sin carga y hacen 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 a través del cual 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. Se utilizan cesio e indio debido a sus altos 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 salientes, o conos de Taylor . A 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 entonces los iones. Una fuente externa de electrones neutraliza la corriente de iones con carga positiva para evitar la carga de la nave espacial.
Los propulsores inductivos pulsados (PIT) utilizan pulsos en lugar de un 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 amoniaco es el gas más comúnmente utilizado. Por 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. La corriente crea entonces un campo magnético en la dirección radial hacia afuera (Br), que luego crea una corriente en el gas que acaba de ser liberado en la dirección opuesta a la corriente original. Esta corriente opuesta ioniza el amoniaco. Los iones cargados positivamente se aceleran 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 aceleradores de fuerza de Lorentz de litio (LiLFA) utilizan aproximadamente la misma idea. El propulsor LiLFA se basa en el propulsor MPD. Se pueden utilizar hidrógeno , argón , amoníaco y nitrógeno como propulsores. En una determinada configuración, se puede utilizar como propulsor el gas ambiental en órbita terrestre baja (LEO). El gas entra en la cámara principal donde se ioniza 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 se puede almacenar en forma sólida. La otra diferencia es que el cátodo único se reemplaza por múltiples varillas de cátodo más pequeñas empaquetadas en un tubo de cátodo 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 a su forma de plasma/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 de 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 del ánodo y el cátodo y la capacidad de estrangular el motor. La eliminación de los electrodos elimina la erosión, que limita la vida útil de otros motores iónicos. El gas neutro se ioniza primero mediante ondas electromagnéticas y luego se transfiere a otra cámara donde se acelera mediante un campo eléctrico y magnético oscilante, también conocido como fuerza ponderomotriz . Esta separación de las etapas de ionización y aceleración permite la limitación del flujo de propulsor, que luego cambia la magnitud del empuje y los valores de impulso específicos. [39]
Un propulsor de doble capa helicónico 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 de 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 un plasma. Luego, la antena excita una onda helicónica 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 alejándose de la región fuente y podría considerarse como una especie de boquilla magnética . En funcionamiento, un límite nítido separa el plasma de alta densidad dentro de la región fuente y el plasma de baja densidad en el escape, que está asociado con un cambio brusco en el potencial eléctrico. Las propiedades del plasma cambian rápidamente a través de este límite, lo que se conoce como una doble capa eléctrica libre de corriente . El potencial eléctrico es mucho mayor dentro de la región de la fuente que en el escape y esto sirve tanto para confinar la mayoría de los electrones como para acelerar la salida de los iones de la región de la fuente. Una cantidad suficiente de electrones escapa de la región de la fuente para garantizar que el plasma en el escape sea neutro en general.
El cohete magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR) propuesto funciona mediante el uso de ondas de radio para ionizar un propulsor en un plasma, y luego usar un campo magnético para acelerar el plasma fuera de la parte trasera 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 , que produce los generadores de RF de 200 kW para ionizar el propulsor. Algunos de los componentes y experimentos de "brotes de plasma" se prueban en un laboratorio establecido en Liberia, Costa Rica . Este proyecto está dirigido por el ex astronauta de la NASA Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Se estaba discutiendo un motor de prueba VASIMR de 200 kW para instalarlo 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 en su lugar Ad Astra discutió una prueba de vuelo libre del VASIMR. [40] Un motor de 200 MW podría reducir la duración del vuelo de la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y de Marte de siete meses a 39 días. [41]
Gracias a una subvención de investigación del Centro de Investigación Lewis de la NASA , durante los años 1980 y 1990, Martin C. Hawley y Jes Asmussen dirigieron un equipo de ingenieros para desarrollar 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 hace que las especies neutras en el propulsor gaseoso se ionicen. Las especies excitadas fluyen hacia afuera (FES) a través de la región de bajo nivel de iones (II) hacia una región neutra (III) donde los iones completan su recombinación , reemplazados 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 de calor (HCC), junto con la radiación (Rad). La energía restante absorbida en 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 neutralizador produciría una cantidad minúscula de empuje con un alto impulso específico en el orden de millones de segundos debido a la alta velocidad relativista de las partículas alfa. [43]
Una variante de este método utiliza una rejilla a base de grafito con un alto voltaje de corriente continua estática 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 en 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 iónicos requiere un funcionamiento continuo durante un largo tiempo para lograr el cambio de velocidad ( delta-v ) necesario para una misión en particular. Los propulsores iónicos 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 fin de la 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 ocurrencia de un flujo inverso de electrones. La erosión de la rejilla no se puede evitar y es el principal factor limitante de la vida útil. Un diseño de rejilla minucioso y una 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 dio como resultado 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 próximo a fallar. [73] [3] [4] El NSTAR funcionó durante años en Dawn .
El proyecto NEXT ( Evolutionary Xenon Thruster ) de la NASA funcionó de forma continua durante más de 48.000 horas. [74] La prueba se llevó a cabo en una cámara de pruebas de alto vacío. A lo largo de 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 cohetes convencional para una aplicación similar.
Los propulsores de efecto Hall sufren una fuerte erosión de la cámara de descarga de cerámica por el impacto de iones energéticos: una prueba publicada en 2010 [75] mostró una erosión de alrededor de 1 mm por cada cien horas de funcionamiento, aunque esto es inconsistente con las vidas útiles en órbita observadas de unos pocos miles de horas.
Se espera que el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) acumule alrededor de 5.000 horas y el diseño apunta a lograr un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23.000 horas [76] y una vida útil completa de alrededor de 50.000 horas. [77]
La energía de ionización representa un gran porcentaje de la energía necesaria para hacer funcionar los motores iónicos. Por lo tanto, el propulsor ideal es fácil de ionizar y tiene una alta relación masa/energía de ionización. Además, el propulsor no debe erosionar el propulsor en gran medida, de modo que permita una larga vida útil, y no debe contaminar el vehículo. [78]
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 3000 dólares por kg en 2021). [79]
Algunos diseños de propulsores iónicos más antiguos utilizaban mercurio como combustible. Sin embargo, el mercurio es tóxico, tendía a contaminar las naves espaciales y era difícil de alimentar con precisión. Es posible que un prototipo comercial moderno utilice mercurio con éxito [80], sin embargo, el mercurio fue prohibido formalmente como combustible en 2022 por la Convención de Minamata sobre el Mercurio . [81]
Entre 2018 y 2023, se utilizó criptón 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 . [82] Desde entonces, los satélites Starlink V2-mini han cambiado a propulsores de efecto Hall de argón , que proporcionan un mayor impulso específico. [83]
Otros propulsores, como el bismuto y el yodo , son prometedores tanto para diseños sin rejilla, como los propulsores de efecto Hall, [59] [60] [61] y los propulsores iónicos con rejilla. [84]
El yodo se utilizó como propulsor por primera vez en el espacio, en el propulsor iónico en rejilla NPT30-I2 de ThrustMe , a bordo de la misión Beihangkongshi-1 lanzada en noviembre de 2020, [85] [86] [87] con un extenso informe publicado un año después en la revista Nature . [88] El propulsor ambipolar CubeSat (CAT) utilizado en la misión Mars Array of Ionospheric Research Satellites Using the CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) también propone utilizar yodo sólido como propulsor para minimizar el volumen de almacenamiento. [68] [69]
En teoría, el diseño de VASIMR (y otros motores basados en plasma) puede utilizar prácticamente cualquier material como combustible. Sin embargo, en las pruebas actuales, el combustible más práctico es el argón , que es relativamente abundante y económico.
La eficiencia del propulsor iónico es la energía cinética del chorro de escape emitido por segundo dividida por la potencia 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 su funcionamiento, pero todos pueden diseñarse con diferentes velocidades de escape. En el extremo inferior del impulso específico, I sp , la eficiencia general disminuye porque la ionización absorbe un mayor porcentaje de energía y en el extremo superior se reduce la eficiencia de propulsión.
Se pueden calcular las eficiencias óptimas y las velocidades de escape para cualquier misión determinada para obtener el costo general mínimo.
Los propulsores iónicos tienen muchas aplicaciones de propulsión en el espacio. Las mejores aplicaciones hacen uso del largo intervalo de misión cuando no se necesita un empuje significativo. Ejemplos de esto incluyen transferencias de órbita, ajustes de actitud , compensación de arrastre para órbitas terrestres bajas , ajustes finos para misiones científicas y transporte de carga entre depósitos de propulsor , por ejemplo, para combustibles químicos. Los propulsores iónicos también se pueden utilizar para misiones interplanetarias y en el espacio profundo donde las tasas de aceleración no son cruciales. Los propulsores iónicos se consideran la mejor solución para estas misiones, ya que requieren un gran cambio de velocidad pero no requieren una aceleración rápida. El empuje continuo durante largas duraciones puede alcanzar altas velocidades mientras consume mucho menos propulsor que los cohetes químicos tradicionales.
Los sistemas de propulsión iónica se demostraron por primera vez en el espacio en las misiones de la NASA Lewis (ahora Glenn Research Center) Space Electric Rocket Test (SERT)-1 y SERT-2A. [25] El 20 de julio de 1964 se lanzó un vuelo suborbital del SERT-1 , que demostró con éxito que la tecnología funcionaba como se predijo en el espacio. Se trataba de propulsores iónicos electrostáticos que utilizaban mercurio y cesio como masa de reacción. El SERT-2A, lanzado el 4 de febrero de 1970, [14] [89] verificó el funcionamiento de dos motores de iones de mercurio durante miles de horas de funcionamiento. [14]
Los propulsores iónicos se utilizan habitualmente para mantener la posición en satélites de comunicaciones comerciales y militares en órbita geoestacionaria. 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 [90] y AEHF-1 del ejército de los Estados Unidos en 2010-2012 [91] ) utilizaron el propulsor iónico para cambiar de órbita después de que fallara el motor de propulsión química. Boeing [92] comenzó a utilizar propulsores iónicos para el mantenimiento de la posición en 1997 y planeó en 2013-2014 ofrecer una variante en su plataforma 702, sin motor químico y propulsores iónicos para la elevación de la órbita; esto permite una masa de lanzamiento significativamente menor para una capacidad satelital dada. AEHF-2 utilizó un motor químico para elevar el perigeo a 16.330 km (10.150 mi) y procedió a la órbita geoestacionaria utilizando propulsión eléctrica. [93]
La estación espacial china Tiangong está equipada con propulsores iónicos. Su módulo central Tianhe es propulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores de efecto Hall, [94] 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, donde 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 con el objetivo de 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 las partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia China de Ciencias , el motor iónico utilizado en Tiangong ha funcionado de forma continua durante 8240 horas sin ningún problema técnico, lo que indica su idoneidad para la vida útil designada de 15 años de la estación espacial china. [95] Este es el primer propulsor Hall del mundo en una misión con capacidad para humanos. [7]
La constelación de satélites Starlink de SpaceX utiliza propulsores de efecto Hall alimentados por criptón o argón para elevar la órbita, realizar maniobras y desorbitar al final de su uso. [96]
El explorador de la circulación oceánica en estado estacionario y de gravedad (GOCE) de la ESA se lanzó el 16 de marzo de 2009. Durante sus veinte meses de misión utilizó propulsión iónica 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 la década de 1990. Se probó en el espacio en la sonda espacial Deep Space 1 , lanzada en 1998. Este fue el primer uso de propulsión eléctrica como sistema de propulsión interplanetaria en una misión científica. [25] Basándose 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 la posición en satélites geoestacionarios . [97] Hughes (EDD) fabricó el propulsor NSTAR utilizado en la nave espacial.
La sonda espacial Hayabusa de la Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa fue lanzada en 2003 y se encontró con el asteroide 25143 Itokawa . Estaba propulsada por cuatro motores de iones de xenón, que utilizaban resonancia ciclotrónica electrónica de microondas para ionizar el propulsor y un material compuesto de carbono/carbono resistente a la erosión para su rejilla de aceleración. [98] 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. [99]
Hayabusa2 , lanzada en 2014, se basó en Hayabusa y también utilizó propulsores iónicos. [100]
El satélite SMART-1 de la Agencia Espacial Europea fue lanzado en 2003 utilizando un propulsor Hall Snecma PPS-1350 -G para llegar desde GTO a la órbita lunar. Este satélite completó su misión el 3 de septiembre de 2006, en una colisión controlada en la superficie lunar , después de una desviación de trayectoria para que los científicos pudieran ver el cráter de 3 metros que el impacto creó en la cara visible de la Luna.
Dawn fue lanzada el 27 de septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres . Utilizó trespropulsores de iones de xenón heredados de Deep Space 1 (encendiéndose uno a la vez). El motor de iones de Dawn es capaz de acelerar de 0 a 97 km/h (60 mph) en 4 días de encendido continuo. [101] La misión finalizó el 1 de noviembre de 2018, cuando la nave espacial se quedó sin propulsor químico de hidracina para sus propulsores de actitud. [102]
LISA Pathfinder es una sonda de la ESA lanzada en 2015 para orbitar el punto L1 entre el Sol y la Tierra. No utiliza propulsores iónicos como sistema de propulsión principal, sino propulsores coloidales y FEEP para un control de actitud preciso ; los bajos empujes de estos dispositivos de propulsión permiten que la nave espacial recorra distancias incrementales con precisión. Se trata de una prueba para la misión LISA , que finalizó el 30 de diciembre de 2017.
La misión BepiColombo de la ESA se lanzó a Mercurio el 20 de octubre de 2018. [103] Utiliza propulsores iónicos en combinación con cohetes de paso 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 1.000 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 llegar al asteroide 16 Psyche en agosto de 2029.
En marzo de 2011 , se estaba considerando [update]un futuro lanzamiento de un propulsor electromagnético VASIMR Ad Astra VF-200 de 200 kW para realizar pruebas en la Estación Espacial Internacional (ISS). [104] [105] Sin embargo, en 2015, la NASA puso fin a los planes de volar el VF-200 a la ISS. Un portavoz de la NASA declaró que la ISS "no era una plataforma de demostración ideal para el nivel de rendimiento deseado de los motores". Ad Astra declaró 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 . [106] [107] Dado que la potencia disponible de la ISS es inferior a 200 kW, el VASIMR de la ISS habría incluido un sistema de batería de carga lenta que permitiera 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 impulsos de altitud periódicos : un motor de alta eficiencia (impulso específico alto) para mantener la posición sería valioso; teóricamente, el reimpulso del VASIMR podría reducir el costo del combustible de los actuales 210 millones de dólares anuales a una vigésima parte. [104] En teoría, el VASIMR podría utilizar tan solo 300 kg de gas argón para mantener la posición de la ISS en lugar de 7500 kg de combustible químico: la alta velocidad de escape ( impulso específico alto ) lograría la misma aceleración con una cantidad menor de propulsor, en comparación con la propulsión química con su menor velocidad de escape que necesita más combustible. [108] El hidrógeno es generado por la ISS como subproducto y es expulsado 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. [108]
El elemento de propulsión y potencia (PPE) es un módulo del Lunar Gateway que proporciona capacidades de generación de energía y propulsión. Su lanzamiento en un vehículo comercial está previsto para enero de 2024. [109] 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 en Aerojet Rocketdyne . [76]
La misión MARS-CAT (Mars Array of Ionospheric Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster) es una misión conceptual de dos CubeSat 6U para estudiar la ionosfera de Marte. La misión investigaría su plasma y estructura magnética, incluidas las estructuras de plasma transitorio, la estructura del campo magnético, la actividad magnética y la correlación con los impulsores del viento solar. [68] El propulsor CAT ahora se llama propulsor RF y es fabricado por Phase Four. [69]
Geoffrey A. Landis propuso utilizar un propulsor de iones alimentado por un láser espacial, junto con una vela de luz, para propulsar una sonda interestelar. [110] [111]
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