La propulsión eléctrica de naves espaciales (o simplemente propulsión eléctrica ) es un tipo de técnica de propulsión de naves espaciales que utiliza campos electrostáticos o electromagnéticos para acelerar la masa a alta velocidad y así generar empuje para modificar la velocidad de una nave espacial en órbita. [1] El sistema de propulsión está controlado por electrónica de potencia .
Los propulsores eléctricos suelen utilizar mucho menos combustible que los cohetes químicos porque tienen una mayor velocidad de escape (funcionan a un impulso específico más alto ) que los cohetes químicos. [1] Debido a la potencia eléctrica limitada, el empuje es mucho más débil en comparación con los cohetes químicos, pero la propulsión eléctrica puede proporcionar empuje durante más tiempo. [2]
La propulsión eléctrica se demostró por primera vez en la década de 1960 y ahora es una tecnología madura y ampliamente utilizada en naves espaciales. Los satélites estadounidenses y rusos han utilizado propulsión eléctrica durante décadas. [3] A partir de 2019 [actualizar], más de 500 naves espaciales operadas en todo el Sistema Solar utilizan propulsión eléctrica para mantener la posición , elevar la órbita o propulsión primaria. [4] En el futuro, los propulsores eléctricos más avanzados pueden ser capaces de impartir un delta-v de 100 km/s (62 mi/s), que es suficiente para llevar una nave espacial a los planetas exteriores del Sistema Solar (con energía nuclear ), pero es insuficiente para viajes interestelares . [1] [5] Un cohete eléctrico con una fuente de energía externa (transmisible a través del láser en los paneles fotovoltaicos ) tiene una posibilidad teórica de vuelo interestelar . [6] [7] Sin embargo, la propulsión eléctrica no es adecuada para lanzamientos desde la superficie de la Tierra, ya que ofrece muy poco empuje.
En un viaje a Marte, una nave propulsada eléctricamente podría transportar el 70% de su masa inicial al destino, mientras que un cohete químico podría transportar solo un pequeño porcentaje. [8]
La idea de la propulsión eléctrica para naves espaciales fue introducida en 1911 por Konstantin Tsiolkovsky . [9] [10] Anteriormente, Robert Goddard había anotado tal posibilidad en su cuaderno personal. [11]
El 15 de mayo de 1929, el laboratorio de investigación soviético Gas Dynamics Laboratory (GDL) comenzó a desarrollar motores de cohetes eléctricos. Dirigido por Valentin Glushko , [12] a principios de la década de 1930 creó el primer ejemplo del mundo de un motor de cohete electrotérmico. [13] [14] Este trabajo inicial del GDL se ha llevado a cabo de manera constante y los motores de cohetes eléctricos se utilizaron en la década de 1960 a bordo de la nave espacial Voskhod 1 y la sonda marciana Zond-2 . [15]
La primera prueba de propulsión eléctrica fue un motor iónico experimental llevado a bordo de la nave espacial soviética Zond 1 en abril de 1964, [16] sin embargo, funcionaron de manera errática posiblemente debido a problemas con la sonda. [17] La nave espacial Zond 2 también llevaba seis propulsores de plasma pulsado (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. [18]
La primera demostración exitosa de un motor iónico fue la nave espacial SERT-1 (Space Electric Rocket Test) de la NASA . [19] [20] Se lanzó el 20 de julio de 1964 y funcionó durante 31 minutos. [19] Una misión de seguimiento se lanzó el 3 de febrero de 1970, SERT-2. Llevaba dos propulsores iónicos, uno funcionó durante más de cinco meses y el otro durante casi tres meses. [19] [21] [22]
La propulsión eléctrica con un reactor nuclear fue considerada por Tony Martin para el Proyecto interestelar Daedalus en 1973, pero el enfoque fue rechazado debido a su perfil de empuje , el peso del equipo necesario para convertir la energía nuclear en electricidad y, como resultado, una pequeña aceleración , que tomaría un siglo para alcanzar la velocidad deseada. [23]
A principios de la década de 2010, muchos fabricantes de satélites ofrecían opciones de propulsión eléctrica en sus satélites, principalmente para el control de actitud en órbita, mientras que algunos operadores de satélites de comunicaciones comerciales comenzaban a utilizarlos para la inserción en órbita geoestacionaria en lugar de los tradicionales motores de cohetes químicos . [24]
Este tipo de motores de reacción similares a cohetes utilizan energía eléctrica para obtener empuje del propulsor . [25]
Los propulsores eléctricos para naves espaciales se pueden agrupar en tres familias según el tipo de fuerza utilizada para acelerar los iones del plasma:
Si la aceleración es causada principalmente por la fuerza de Coulomb (es decir, la aplicación de un campo eléctrico estático en la dirección de la aceleración), el dispositivo se considera electrostático. Tipos:
La categoría electrotérmica agrupa dispositivos que utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma que aumente la temperatura del gas propulsor. La energía térmica impartida al gas propulsor se convierte luego en energía cinética mediante una boquilla de material sólido o campos magnéticos. Los gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoníaco) son los propulsores preferidos para este tipo de sistema.
Un motor electrotérmico utiliza una boquilla para convertir el calor en movimiento lineal, por lo que es un verdadero cohete aunque la energía que produce el calor provenga de una fuente externa.
El rendimiento de los sistemas electrotérmicos en términos de impulso específico (Isp) es de 500 a ~1000 segundos, pero supera al de los propulsores de gas frío , los cohetes monopropulsantes e incluso la mayoría de los cohetes bipropulsantes . En la URSS , los motores electrotérmicos entraron en uso en 1971; las series de satélites soviéticos " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" y el satélite ruso "Elektro" están equipados con ellos. [26] Los sistemas electrotérmicos de Aerojet (MR-510) se utilizan actualmente en los satélites Lockheed Martin A2100 que utilizan hidracina como propulsor.
Los propulsores electromagnéticos aceleran los iones ya sea por la fuerza de Lorentz o por efecto de campos electromagnéticos donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración. Tipos:
Un motor fotónico interactúa únicamente con fotones.
Las ataduras electrodinámicas son cables conductores largos, como uno desplegado desde un satélite de atadura , que pueden funcionar según principios electromagnéticos como generadores , al convertir su energía cinética en energía eléctrica , o como motores , convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética. [27] El potencial eléctrico se genera a través de una atadura conductora por su movimiento a través del campo magnético de la Tierra. La elección del conductor metálico que se utilizará en una atadura electrodinámica está determinada por factores como la conductividad eléctrica y la densidad . Los factores secundarios, según la aplicación, incluyen el costo, la resistencia y el punto de fusión.
Algunos métodos de propulsión propuestos aparentemente violan las leyes de la física actualmente entendidas, entre ellas: [28]
Los sistemas de propulsión eléctrica pueden clasificarse como estables (encendido continuo durante un tiempo determinado) o inestables (encendidos pulsados que se acumulan hasta alcanzar un impulso deseado ). Estas clasificaciones se pueden aplicar a todos los tipos de motores de propulsión.
Los motores de cohetes eléctricos proporcionan un empuje menor en comparación con los cohetes químicos en varios órdenes de magnitud debido a la energía eléctrica limitada disponible en una nave espacial. [2] Un cohete químico imparte energía a los productos de combustión directamente, mientras que un sistema eléctrico requiere varios pasos. Sin embargo, la alta velocidad y la menor masa de reacción gastada para el mismo empuje permite que los cohetes eléctricos funcionen con menos combustible. Esto difiere de la típica nave espacial impulsada por químicos, donde los motores requieren más combustible, lo que requiere que la nave espacial siga principalmente una trayectoria inercial . Cuando está cerca de un planeta, la propulsión de bajo empuje puede no compensar la fuerza gravitacional. Un motor de cohete eléctrico no puede proporcionar suficiente empuje para levantar el vehículo de la superficie de un planeta, pero un empuje bajo aplicado durante un intervalo largo puede permitir que una nave espacial maniobre cerca de un planeta.