El propulsor de iones en rejilla es un diseño común para los propulsores de iones , un método de propulsión de naves espaciales de bajo empuje altamente eficiente que funciona con energía eléctrica mediante el uso de electrodos de rejilla de alto voltaje para acelerar los iones con fuerzas electrostáticas .
El motor de iones fue demostrado por primera vez por el científico de la NASA nacido en Alemania Ernst Stuhlinger , [1] y desarrollado en forma práctica por Harold R. Kaufman en el Centro de Investigación Lewis (ahora Glenn) de la NASA desde 1957 hasta principios de la década de 1960.
El uso de sistemas de propulsión iónica se demostró por primera vez en el espacio mediante la " Prueba de cohetes eléctricos espaciales" Lewis (SERT) I y II de la NASA. [2] Estos propulsores utilizaron mercurio como masa de reacción. El primero fue el SERT-1 , lanzado el 20 de julio de 1964, que demostró con éxito que la tecnología funcionaba según lo previsto en el espacio. La segunda prueba, SERT-II, lanzada el 3 de febrero de 1970, [3] [4] verificó el funcionamiento de dos motores de iones de mercurio durante miles de horas de funcionamiento. [5] Sin embargo, a pesar de las manifestaciones de los años 1960 y 1970, rara vez se utilizaron antes de finales de los años 1990.
La NASA Glenn continuó desarrollando propulsores de iones electrostáticos en red durante la década de 1980, desarrollando el motor Solar Technology Application Readiness (NSTAR), que se utilizó con éxito en la sonda Deep Space 1 , la primera misión en volar una trayectoria interplanetaria utilizando propulsión eléctrica como principal. propulsión. Más tarde voló en la misión del asteroide Dawn .
Hughes Aircraft Company (ahora L-3 ETI) ha desarrollado el XIPS ( Sistema de propulsión de iones de xenón ) para mantener la posición en sus satélites geosincrónicos (más de 100 motores en vuelo). [ cita necesaria ] La NASA está actualmente [ aclaración necesaria ] trabajando en un propulsor de iones electrostáticos de 20 a 50 kW llamado HiPEP que tendrá mayor eficiencia, impulso específico y una vida útil más larga que NSTAR. [ cita necesaria ]
En 2006, Aerojet completó las pruebas de un prototipo de propulsor iónico NEXT . [6]
A partir de la década de 1970, se desarrollaron propulsores de iones de radiofrecuencia en la Universidad de Giessen y en ArianeGroup . Los motores RIT-10 vuelan en EURECA y ARTEMIS . Qinetiq (Reino Unido) ha desarrollado los motores T5 y T6 (tipo Kaufman), utilizados en las misiones GOCE (T5) y BepiColombo (T6). Desde Japón, el µ10, utilizando microondas, voló en la misión Hayabusa . [ cita necesaria ]
En 2021, DART se lanzó con un propulsor de iones de xenón NEXT-C .
En 2021, ThrustMe informó cambios en la órbita de los satélites utilizando su propulsor de iones de yodo NPT30-I2. [7] [8] [9]
Los átomos del propulsor se inyectan en la cámara de descarga y se ionizan formando un plasma.
Hay varias formas de producir iones electrostáticos para la cámara de descarga:
Relacionado con el método de producción de iones electrostáticos está la necesidad de un cátodo y requisitos de fuente de alimentación. Los propulsores de bombardeo de electrones requieren, como mínimo, suministro de energía para el cátodo, el ánodo y la cámara. Los tipos de RF y microondas requieren una fuente de alimentación adicional para el generador de RF, pero no fuentes de alimentación para el ánodo o el cátodo.
Los iones cargados positivamente se difunden hacia el sistema de extracción de la cámara (2 o 3 rejillas multiapertura). Después de que los iones ingresan a la vaina de plasma en un orificio de la rejilla, son acelerados por la diferencia de potencial entre la primera y la segunda rejilla (llamadas rejillas de pantalla y acelerador, respectivamente). Los iones son guiados a través de los orificios de extracción mediante un potente campo eléctrico. La energía iónica final está determinada por el potencial del plasma, que generalmente es ligeramente mayor que el voltaje de las rejillas de la pantalla.
El voltaje negativo de la rejilla del acelerador impide que los electrones del haz de plasma fuera del propulsor regresen al plasma de descarga. Esto puede fallar debido a un potencial negativo insuficiente en la red, lo que es un final común para la vida operativa de los propulsores de iones. Los iones expulsados impulsan la nave espacial en dirección opuesta, según la tercera ley de Newton . Los electrones de menor energía se emiten desde un cátodo separado, llamado neutralizador, hacia el haz de iones para garantizar que se expulsen cantidades iguales de carga positiva y negativa. La neutralización es necesaria para evitar que la nave espacial gane una carga neta negativa, lo que atraería iones hacia la nave espacial y cancelaría el empuje.
La óptica de iones es constantemente bombardeada por una pequeña cantidad de iones secundarios y se erosiona o desgasta, reduciendo así la eficiencia y la vida útil del motor. Se utilizaron varias técnicas para reducir la erosión; lo más notable fue cambiar a un propulsor diferente. Se utilizaron átomos de mercurio o cesio como propulsores durante las pruebas realizadas en las décadas de 1960 y 1970, pero estos propulsores se adhirieron a las rejillas y las erosionaron. Los átomos de xenón , por otra parte, son mucho menos corrosivos y se convirtieron en el propulsor elegido para prácticamente todos los tipos de propulsores iónicos. La NASA ha demostrado el funcionamiento continuo del propulsor NSTAR durante más de 16.000 horas (1,8 años) y del propulsor NEXT durante más de 48.000 horas (5,5 años). [10] [11]
En los sistemas de rejilla de aspiración se producen pequeñas diferencias en la geometría de la rejilla y en los materiales utilizados. Esto puede tener implicaciones para la vida operativa del sistema de red.
Los propulsores de iones electrostáticos también han logrado un impulso específico de 30 a 100 kN·s/kg, o de 3.000 a 10.000 s, mejor que la mayoría de los otros tipos de propulsores de iones. Los propulsores de iones electrostáticos han acelerado los iones a velocidades que alcanzan los 100 km/s .
En enero de 2006, la Agencia Espacial Europea , junto con la Universidad Nacional de Australia , anunciaron pruebas exitosas de un motor de iones electrostático mejorado, el Dual-Stage 4-Grid (DS4G), que mostró velocidades de escape de 210 km/s , supuestamente cuatro veces más. superior al alcanzado anteriormente, lo que permite un impulso específico cuatro veces mayor. Los propulsores de iones electrostáticos convencionales poseen sólo dos rejillas, una de alto voltaje y otra de bajo voltaje, que realizan tanto la función de extracción de iones como la de aceleración. Sin embargo, cuando el diferencial de carga entre estas rejillas alcanza unos 5 kV, algunas de las partículas extraídas de la cámara chocan con la rejilla de baja tensión, erosiónándola y comprometiendo la longevidad del motor. Esta limitación se evita con éxito cuando se utilizan dos pares de rejillas. El primer par opera a alto voltaje, poseyendo un diferencial de voltaje de alrededor de 3 kV entre ellos; este par de rejillas es responsable de extraer las partículas cargadas de propulsor de la cámara de gas. El segundo par, que funciona a bajo voltaje, proporciona el campo eléctrico que acelera las partículas hacia afuera, creando empuje. Otras ventajas del nuevo motor incluyen un diseño más compacto, que permite ampliarlo a mayores empujes, y una columna de escape más estrecha y menos divergente de 3 grados, que supuestamente es cinco veces más estrecha de lo que se lograba anteriormente. Esto reduce el propulsor necesario para corregir la orientación de la nave espacial debido a pequeñas incertidumbres en la dirección del vector de empuje. [12]
Tanto los iones de yodo atómicos como moleculares son acelerados por rejillas de alto voltaje para generar empuje, y se puede producir un haz altamente colimado con una disociación sustancial de yodo.
Por primera vez, un satélite de telecomunicaciones ha utilizado un propulsor de yodo para cambiar su órbita alrededor de la Tierra. Esta pequeña pero potencialmente disruptiva innovación podría ayudar a limpiar los cielos de basura espacial, al permitir que pequeños satélites se autodestruyan de forma económica y sencilla al final de sus misiones, dirigiéndose hacia la atmósfera, donde se quemarían.