El propulsor iónico en rejilla es un diseño común para los propulsores iónicos , un método de propulsión de naves espaciales de bajo empuje y alta eficiencia que funciona con energía eléctrica mediante el uso de electrodos de rejilla de alto voltaje para acelerar los iones con fuerzas electrostáticas .
El motor iónico fue demostrado por primera vez por el científico alemán de la NASA 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 los años 1960.
El uso de sistemas de propulsión iónica se demostró por primera vez en el espacio con la prueba de cohetes eléctricos espaciales Lewis (SERT) I y II de la NASA. [2] Estos propulsores usaban 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 como se predijo 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 la demostración en los años 1960 y 1970, rara vez se utilizaron antes de fines de los años 1990.
La NASA Glenn continuó desarrollando propulsores iónicos con rejilla electrostática durante la década de 1980, y desarrolló el motor Solar Technology Application Readiness (NSTAR) de la NASA, que se utilizó con éxito en la sonda Deep Space 1 , la primera misión en volar una trayectoria interplanetaria utilizando propulsión eléctrica como propulsión principal. Más tarde, voló en la misión Dawn al asteroide.
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 geoestacionarios (más de 100 motores en vuelo). [ cita requerida ] La NASA está trabajando actualmente [ aclaración necesaria ] en un propulsor de iones electrostático de 20-50 kW llamado HiPEP que tendrá mayor eficiencia, impulso específico y una vida útil más larga que el NSTAR. [ cita requerida ]
En 2006, Aerojet completó las pruebas de un prototipo de propulsor iónico NEXT . [6]
A principios de los años 70, la Universidad de Giessen y ArianeGroup desarrollaron propulsores iónicos de radiofrecuencia . Los motores RIT-10 vuelan en los cohetes EURECA y ARTEMIS . Qinetiq (Reino Unido) ha desarrollado los motores T5 y T6 (tipo Kaufman), utilizados en la misión GOCE (T5) y la misión BepiColombo (T6). Desde Japón, el μ10, que utiliza microondas, voló en la misión Hayabusa . [ cita requerida ]
En 2021, DART se lanzó con un propulsor de iones de xenón NEXT-C .
En 2021, ThrustMe informó sobre cambios en la órbita de los satélites utilizando su propulsor de iones de yodo NPT30-I2. [7] [8] [9]
Los átomos propulsores se inyectan en la cámara de descarga y se ionizan, formando un plasma.
Hay varias formas de producir los iones electrostáticos para la cámara de descarga:
El método de producción de iones electrostáticos requiere un cátodo y una fuente de alimentación. Los propulsores de bombardeo de electrones requieren, como mínimo, fuentes de alimentación 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 con carga positiva se difunden hacia el sistema de extracción de la cámara (2 o 3 rejillas de múltiples aberturas). Una vez que los iones ingresan a la envoltura de plasma por un orificio de la rejilla, son acelerados por la diferencia de potencial entre la primera y la segunda rejilla (llamadas rejilla de pantalla y rejilla aceleradora, respectivamente). Los iones son guiados a través de los orificios de extracción por el potente campo eléctrico. La energía final de los iones está determinada por el potencial del plasma, que generalmente es ligeramente mayor que el voltaje de las rejillas de pantalla.
El voltaje negativo de la rejilla del acelerador impide que los electrones del plasma del haz que se encuentra fuera del propulsor regresen al plasma de descarga. Esto puede fallar debido a un potencial negativo insuficiente en la rejilla, lo que es un final común para la vida útil de los propulsores iónicos. Los iones expulsados impulsan la nave espacial en la dirección opuesta, de acuerdo con 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 obtenga una carga negativa neta, que atraería iones hacia la nave espacial y cancelaría el empuje.
Los sistemas ópticos iónicos están constantemente bombardeados por una pequeña cantidad de iones secundarios y se erosionan o desgastan, reduciendo así la eficiencia y la vida útil del motor. Se utilizaron varias técnicas para reducir la erosión; la más notable fue cambiar a un propulsor diferente. Se utilizaron átomos de mercurio o cesio como propulsores durante las pruebas de los años 1960 y 1970, pero estos propulsores se adhirieron a las rejillas y las erosionaron. Los átomos de xenón , por otro lado, son mucho menos corrosivos y se convirtieron en el propulsor de elección 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 rejillas de extracción se producen pequeñas diferencias en la geometría de la rejilla y en los materiales utilizados, lo que puede tener consecuencias para la vida útil operativa del sistema de rejilla.
Los propulsores iónicos electrostáticos también han logrado un impulso específico de 30 a 100 kN·s/kg, o de 3000 a 10 000 s, mejor que la mayoría de los demás tipos de propulsores iónicos. Los propulsores iónicos electrostáticos han acelerado iones a velocidades que alcanzan los 100 km/s .
En enero de 2006, la Agencia Espacial Europea , junto con la Universidad Nacional de Australia , anunció 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 altas que las logradas anteriormente, lo que permite un impulso específico que es cuatro veces mayor. Los propulsores de iones electrostáticos convencionales poseen solo dos rejillas, una de alto voltaje y otra de bajo voltaje, que realizan tanto las funciones de extracción de iones como de aceleración. Sin embargo, cuando el diferencial de carga entre estas rejillas alcanza alrededor de 5 kV, algunas de las partículas extraídas de la cámara chocan con la rejilla de bajo voltaje, erosionándola y comprometiendo la longevidad del motor. Esta limitación se supera con éxito cuando se utilizan dos pares de rejillas. El primer par opera a alto voltaje, con un diferencial de voltaje de alrededor de 3 kV entre ellas; este par de rejillas es responsable de extraer las partículas de propulsión cargadas 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 al parecer es cinco veces más estrecha que la lograda 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]
Los iones de yodo atómicos y moleculares se aceleran mediante rejillas de alto voltaje para generar empuje, y se puede producir un haz altamente colimado con una disociación sustancial de yodo.
Por primera vez en la historia, un satélite de telecomunicaciones ha utilizado un propulsor de yodo para cambiar su órbita alrededor de la Tierra. La pequeña pero potencialmente disruptiva innovación podría ayudar a limpiar los cielos de basura espacial, al permitir que los satélites diminutos se autodestruyan de manera barata y sencilla al final de sus misiones, dirigiéndose hacia la atmósfera donde se quemarían.