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 generar así 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 propulsor que los cohetes químicos porque tienen una velocidad de escape más alta (funcionan con un impulso específico más alto ) que los cohetes químicos. [1] Debido a la energía 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 utilizan propulsión eléctrica desde hace décadas. [3] A partir de 2019 [actualizar], más de 500 naves espaciales operadas en todo el Sistema Solar utilizan propulsión eléctrica para mantenerse en posición , elevar la órbita o propulsión primaria. [4] En el futuro, los propulsores eléctricos más avanzados podrán 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 los viajes interestelares . [1] [5] Un cohete eléctrico con una fuente de energía externa (transmisible a través de un 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 hasta su destino, mientras que un cohete químico sólo podría transportar 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 notado tal posibilidad en su cuaderno personal. [11]
El 15 de mayo de 1929, el laboratorio de investigación soviético Laboratorio de Dinámica de Gases (GDL) comenzó el desarrollo de 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 de GDL se ha llevado a cabo de manera constante y en la década de 1960 se utilizaron motores de cohetes eléctricos a bordo de la nave espacial Voskhod 1 y la sonda Zond-2 de Marte. [15]
La primera prueba de propulsión eléctrica fue un motor de iones experimental llevado a bordo de la nave espacial soviética Zond 1 en abril de 1964, [16] sin embargo, funcionó 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 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. [18]
La primera demostración exitosa de un motor de iones fue la nave espacial SERT-1 (Prueba de cohetes eléctricos espaciales) de la NASA . [19] [20] Se lanzó el 20 de julio de 1964 y funcionó durante 31 minutos. [19] Una misión de seguimiento lanzada el 3 de febrero de 1970, SERT-2. Llevaba dos propulsores de iones, uno en funcionamiento durante más de cinco meses y el otro durante casi tres meses. [19] [21] [22]
Tony Martin consideró la propulsión eléctrica con un reactor nuclear 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 . lo que llevaría un siglo 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 geosincrónica en lugar de los tradicionales motores de cohetes químicos . [24]
Este tipo de motores de reacción tipo cohete utilizan energía eléctrica para obtener empuje del propulsor . [25]
Los propulsores de propulsión eléctrica 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 plasma para aumentar la temperatura del propulsor a granel. 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 el de los propulsores de gas frío , los cohetes monopropulsores e incluso la mayoría de los cohetes bipropelentes . En la URSS , los motores electrotérmicos comenzaron a utilizarse 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 el efecto de campos electromagnéticos donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración. Tipos:
Un motor fotónico interactúa sólo con fotones.
Las ataduras electrodinámicas son cables conductores largos, como los que se despliegan 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 correa conductora mediante 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 se pueden caracterizar como estables (disparo continuo durante un período prescrito) o inestables (disparos pulsados que se acumulan hasta alcanzar un impulso deseado ). Estas clasificaciones se pueden aplicar a todo tipo de motores de propulsión.
Los motores de cohetes propulsados eléctricamente proporcionan un empuje menor en comparación con los cohetes químicos en varios órdenes de magnitud debido a la limitada energía eléctrica 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 empleada para el mismo empuje permiten que los cohetes eléctricos funcionen con menos combustible. Esto difiere de la típica nave espacial propulsada por productos químicos, donde los motores requieren más combustible, lo que requiere que la nave espacial siga principalmente una trayectoria inercial . Cuando se encuentra cerca de un planeta, es posible que la propulsión de bajo empuje no compense 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.