Un propulsor de iones , impulsión de iones o motor de iones es una forma de propulsión eléctrica utilizada para la propulsión de naves espaciales . Crea empuje acelerando iones usando electricidad .
Un propulsor de iones ioniza un gas neutro extrayendo algunos electrones de los átomos , creando una nube de iones positivos . Estos propulsores de iones dependen principalmente de la electrostática, ya que los iones son acelerados por la fuerza de Coulomb a lo largo de un campo eléctrico . Los electrones almacenados temporalmente son finalmente reinyectados por un neutralizador en la nube de iones después de que ha pasado a través de la rejilla electrostática, por lo que el gas se vuelve neutral nuevamente y puede dispersarse libremente en el espacio sin ninguna interacción eléctrica adicional con el propulsor. Por el contrario, los propulsores electromagnéticos utilizan la fuerza de Lorentz para acelerar todas las especies (electrones libres, así como iones positivos y negativos) en la misma dirección, independientemente de 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 de iones en uso operativo consumen típicamente de 1 a 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 de propulsión de 65 a 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 , impulsada por un propulsor de iones, cambió la 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 (41.000 km / h), aunque sólo era la mitad de eficiente, requiriendo 425 kg (937 lb) de xenón. [6]
Las aplicaciones incluyen el control de la orientación y la posición de los satélites en órbita (algunos satélites tienen docenas de propulsores de iones de baja potencia) y su uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de baja masa (como Deep Space 1 y Dawn ). [3] [4]
Los motores de empuje de iones son prácticos solo en el vacío del espacio y no pueden llevar vehículos a través de la atmósfera porque los motores de iones no funcionan en presencia de iones fuera del motor; Además, el minúsculo empuje del motor no puede superar ninguna resistencia significativa del aire. Además, a pesar de la presencia de una atmósfera (o la falta de ella), un motor de iones no puede generar suficiente empuje para lograr el despegue inicial de cualquier cuerpo celeste con una gravedad superficial significativa . Por estas razones, las naves espaciales deben depender de cohetes químicos convencionales para alcanzar su órbita inicial .
Orígenes
La primera persona que escribió un artículo presentando públicamente la idea fue Konstantin Tsiolkovsky en 1911. [7] La técnica se recomendó para condiciones de casi vacío a gran altitud, pero el empuje se demostró con corrientes de aire ionizado a presión atmosférica. La idea apareció de nuevo en " Wege zur Raumschiffahrt " de Hermann Oberth (Ways to Spaceflight), publicado en 1923, donde explicó sus pensamientos sobre los ahorros masivos de la propulsión eléctrica, predijo su uso en la propulsión de naves espaciales y el control de actitud , y abogó por la electrostática. aceleración de gases cargados. [8]
Harold R. Kaufman construyó un propulsor de iones en funcionamiento en 1959 en las instalaciones del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Era similar a un propulsor de iones electrostático en cuadrícula y usaba mercurio como propulsor. Las pruebas suborbitales se realizaron durante la década de 1960 y en 1964, el motor fue enviado a un vuelo suborbital a bordo del Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). [9] [10] Operó con éxito durante los 31 minutos previstos antes de caer a la Tierra. [11] Esta prueba fue seguida por una prueba orbital, SERT-2, en 1970. [12] [13]
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, y se utilizaron principalmente para la estabilización de satélites en direcciones norte-sur y este-oeste. Unos 100-200 motores completaron misiones en satélites soviéticos y rusos . [14] 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 los laboratorios soviéticos.
Principio de funcionamiento general
Los propulsores de iones utilizan haces de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) para crear un empuje de acuerdo con la conservación del momento . El método para acelerar los iones varía, pero todos los diseños aprovechan la relación carga / masa de los iones. Esta relación significa que las diferencias de potencial relativamente pequeñas pueden crear altas velocidades de escape. Esto reduce la cantidad de masa de reacción o propulsor requerido, pero aumenta la cantidad de energía específica requerida en comparación con los cohetes químicos . Por lo tanto, los propulsores de iones pueden alcanzar altos impulsos específicos . El inconveniente del empuje bajo 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 de iones no sean adecuados para el lanzamiento de naves espaciales a la órbita, pero efectivos para la propulsión en el espacio.
Los propulsores de iones se clasifican en electrostáticos o electromagnéticos . La principal diferencia es el método para acelerar los iones.
- Los propulsores de iones electrostáticos utilizan la fuerza de Coulomb y aceleran los iones en la dirección del campo eléctrico.
- Los propulsores de iones electromagnéticos utilizan la fuerza de Lorentz para mover los iones.
La energía eléctrica para los propulsores de iones generalmente se proporciona 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 máxima que se puede suministrar, y ambas proporcionan, para esta aplicación, casi ningún límite a la energía. [ cita requerida ]
Los propulsores eléctricos tienden a producir un empuje bajo, lo que resulta en una baja aceleración. Definiendo, la aceleración gravitacional estándar de la Tierra , y observando que, esto se puede analizar. Un propulsor NSTAR que produce una fuerza de empuje de 92 mN [15] acelerará un satélite con una masa de 1 Mg en 0,092 N / 1000 kg = 9,2 × 10 −5 m / s 2 (o 9,38 × 10 −6 g ). Sin embargo, esta aceleración se puede mantener durante meses o años seguidos, en contraste con las breves quemaduras de los cohetes químicos.
- F es la fuerza de empuje en N,
- η es la eficiencia
- P es la potencia eléctrica utilizada por el propulsor en W, y
- I sp es el impulso específico en segundos.
El propulsor de iones no es el tipo más prometedor de propulsión de naves espaciales de propulsión eléctrica , pero es el más exitoso en la práctica hasta la fecha. [4] Un impulso de iones requeriría dos días para acelerar un automóvil a la velocidad de 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 de iones 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 propulsora, al acelerar el escape a alta velocidad. La potencia impartida al escape aumenta con el cuadrado de la velocidad de escape, mientras que el aumento de empuje es lineal. Por el contrario, los cohetes químicos proporcionan un alto empuje, pero su impulso total está limitado por la pequeña cantidad de energía que se puede almacenar químicamente en los propulsores. [16] Dado el peso práctico de las fuentes de energía adecuadas, la aceleración de un propulsor de iones es con frecuencia menos de 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 de escape cinética. Los cohetes químicos funcionan como motores térmicos y el teorema de Carnot limita la velocidad de escape.
Propulsores electrostáticos
Propulsores de iones electrostáticos en red
Los propulsores de iones electrostáticos en red utilizan comúnmente gas xenón . El propulsor gaseoso comienza sin carga; se ioniza bombardeándolo 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 de cátodo caliente y acelerados a través de la diferencia de potencial hacia un ánodo. Alternativamente, los electrones pueden acelerarse mediante un campo eléctrico inducido oscilante creado por un electroimán alterno, que da como resultado una descarga autosostenida sin un cátodo (propulsor de iones de radiofrecuencia).
Los iones cargados positivamente se extraen mediante un sistema que consta de 2 o 3 rejillas de múltiples aperturas. Después de ingresar al sistema de rejilla cerca de la vaina de plasma, los iones se aceleran por la diferencia de potencial entre la primera rejilla y la segunda rejilla (llamada rejilla de pantalla y rejilla de aceleración, respectivamente) hasta la energía iónica final de (típicamente) 1–2 keV , que genera empuje.
Los propulsores de iones emiten un haz de iones de xenón cargados positivamente. Para evitar que la nave espacial acumule una carga, se coloca otro cátodo cerca del motor para emitir electrones en el haz de iones, dejando el propulsor eléctricamente neutro. Esto evita que el haz de iones sea atraído (y regrese) a la nave espacial, lo que cancelaría el empuje. [11]
Investigación de propulsores de iones electrostáticos en red (pasado / presente):
- Preparación para la aplicación de tecnología solar de la NASA (NSTAR), 2,3 kW, utilizada en dos misiones exitosas
- Propulsor de xenón evolutivo de la NASA ( NEXT ), 6,9 kW, hardware de calificación de vuelo construido
- Sistema de iones de xenón eléctrico nuclear (NEXIS)
- Propulsión eléctrica de alta potencia ( HiPEP ), 25 kW, ejemplo de prueba construido y ejecutado brevemente en el suelo
- Propulsor de iones de radiofrecuencia de EADS (RIT)
- 4 rejillas de doble etapa (DS4G) [17] [18]
Propulsores de efecto Hall
Los propulsores de efecto Hall aceleran los iones por medio de un potencial eléctrico entre un ánodo cilíndrico y un plasma cargado negativamente que forma el cátodo. La mayor parte del propulsor (típicamente xenón) se introduce cerca del ánodo, donde se ioniza y fluye hacia el cátodo; los iones se aceleran hacia ya través de él, recogiendo electrones cuando salen para neutralizar el haz y dejar el propulsor a alta velocidad.
El ánodo está en un extremo de un tubo cilíndrico. En el centro hay una espiga 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 final del pico 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 del pico en una corriente de Hall. Cuando llegan al ánodo impactan con el propulsor descargado y hacen que se ionice, antes de llegar finalmente al ánodo y cerrar el circuito. [19]
Propulsión eléctrica por emisión de campo
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 por las que 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. El cesio y el indio se utilizan 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, los iones positivos se extraen de las puntas de los conos. [20] [21] [22] El campo eléctrico creado por el emisor y el acelerador acelera los iones. Una fuente externa de electrones neutraliza la corriente de iones cargada positivamente para evitar la carga de la nave espacial.
Propulsores electromagnéticos
Propulsores inductivos pulsados
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 amoníaco es el gas más utilizado. Para 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. Luego, la corriente crea un campo magnético en la dirección radial hacia afuera (Br), que luego crea una corriente en el gas que acaba de liberarse en la dirección opuesta a la corriente original. Esta corriente opuesta ioniza el amoniaco. Los iones cargados positivamente se aceleran lejos del motor debido al campo eléctrico jθ que cruza el campo magnético Br, debido a la Fuerza de Lorentz. [23]
Propulsor magnetoplasmadynamic
Los propulsores magnetoplasmadynamic (MPD) y los propulsores del acelerador de fuerza Lorentz de litio (LiLFA) utilizan aproximadamente la misma idea. El propulsor LiLFA se basa en el propulsor MPD. Como propulsor se pueden utilizar hidrógeno , argón , amoniaco y nitrógeno . En una determinada configuración, el gas ambiental en órbita terrestre baja (LEO) se puede utilizar como propulsor. El gas entra en la cámara principal donde es ionizado en plasma por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo . Este plasma luego conduce la 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, con dos diferencias principales. Primero, el LiLFA usa vapor de litio, que puede almacenarse como un sólido. 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 usando la misma fuerza de Lorentz . [24] [25] [26]
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. [27]
Propulsores de plasma sin electrodos
Los propulsores de plasma sin electrodos tienen dos características únicas: la eliminación de los electrodos del ánodo y del cátodo y la capacidad de acelerar el motor. La extracción de los electrodos elimina la erosión, lo que limita la vida útil de otros motores de iones. El gas neutro primero se ioniza mediante ondas electromagnéticas y luego se transfiere a otra cámara donde es acelerado por un campo eléctrico y magnético oscilante, también conocido como fuerza ponderomotriz . Esta separación de las etapas de ionización y aceleración permite estrangular el flujo de propulsor, que luego cambia la magnitud del empuje y los valores de impulso específicos. [28]
Propulsores Helicon de doble capa
Un propulsor de doble capa de helicón 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 alimentación de CA de radiofrecuencia (a 13,56 MHz en el diseño del prototipo) está acoplada 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. La antena luego excita una onda de helicón 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 lejos de la región fuente y podría pensarse como una especie de boquilla magnética . En funcionamiento, un límite nítido separa el plasma de alta densidad dentro de la región de la 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, que se conoce como doble capa eléctrica sin 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 los iones lejos de la región de la fuente. Suficientes electrones escapan de la región de la fuente para asegurar que el plasma en el escape sea neutral en general.
Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR)
El cohete de magnetoplasma de impulso específico variable propuesto (VASIMR) funciona mediante el uso de ondas de radio para ionizar un propulsor en un plasma y luego el uso de 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 generadores de RF de 200 kW para propulsores ionizantes. Algunos de los componentes y experimentos de "brotes de plasma" se prueban en un laboratorio ubicado en Liberia, Costa Rica . Este proyecto está dirigido por el ex astronauta de la NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Se estaba discutiendo la instalación de un motor de prueba VASIMR de 200 kW 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 , con una autorización gratuita. En su lugar, Ad Astra analiza la prueba de vuelo VASIMR. [29] Un motor de 200 megavatios previsto podría reducir la duración del vuelo desde la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y Marte de 7 meses a 39 días. [30]
Propulsores electrotérmicos de microondas
Bajo una beca de investigación del Centro de Investigación Lewis de la NASA durante las décadas de 1980 y 1990, Martin C. Hawley y Jes Asmussen dirigieron un equipo de ingenieros en el desarrollo de un propulsor electrotérmico de microondas (MET). [31]
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 del propulsor gaseoso se ionicen. Las especies excitadas fluyen (FES) a través de la región de iones bajos (II) a una región neutra (III) donde los iones completan su recombinación , reemplazados por el flujo de especies neutrales (FNS) hacia el centro. Mientras tanto, la energía se pierde en las paredes de la cámara a través de la conducción de calor y la convección (HCC), junto con la radiación (Rad). La energía restante absorbida en el propulsor gaseoso se convierte en empuje .
Propulsor de radioisótopos
Se ha propuesto un sistema de propulsión teórico, basado en partículas alfa ( He2+
o 4
2Él2+
que indica un ion de helio con una carga +2) emitido por un radioisótopo unidireccionalmente a través de un orificio en su cámara. Un cañón de electrones neutralizante produciría una pequeña cantidad de empuje con un alto impulso específico del orden de millones de segundos debido a la alta velocidad relativista de las partículas alfa. [32]
Una variante de esto utiliza una rejilla a base de grafito con un alto voltaje de CC estático para aumentar el empuje, ya que el grafito tiene una alta transparencia a las partículas alfa si también se irradia con luz ultravioleta de onda corta a la longitud de onda correcta desde un emisor de estado sólido. También permite fuentes de energía más baja y vida media más larga, lo que sería ventajoso para una aplicación espacial. El relleno de helio también se ha sugerido como una forma de aumentar el camino libre medio de electrones.
Comparaciones
Propulsor | Propulsor | Potencia de entrada (kW) | Impulso (s) específico (s) | Empuje (mN) | Masa del propulsor (kg) | Notas |
---|---|---|---|---|---|---|
NSTAR | Xenón | 2.3 | 3300 -1700 [33] | 92 máx. [15] | Utilizado en las sondas espaciales Deep Space 1 y Dawn | |
Efecto Hall PPS-1350 | Xenón | 1,5 | 1660 | 90 | 5.3 | |
SIGUIENTE [15] | Xenón | 6,9 [34] | 4190 [34] [35] [36] | 236 máx. [15] [36] | ||
X3 [37] | Xenón o criptón [38] | 102 [37] | 1800-2650 [39] | 5400 [37] | 230 [39] [37] | |
NEXIS [40] | Xenón | 20,5 | ||||
RIT 22 [41] | Xenón | 5 | ||||
BHT8000 [42] | Xenón | 8 | 2210 | 449 | 25 | |
efecto Hall | Xenón | 75 [ cita requerida ] | ||||
FEEP | Cesio liquido | 6 × 10 −5 - 0,06 | 6000 -10 000 [21] | 0,001-1 [21] | ||
AEPS [43] | Xenón | 13,3 | 2900 | 600 | 100 | Para ser utilizado en el módulo PPE de Lunar Gateway . |
Propulsor | Propulsor | Potencia de entrada (kW) | Impulso (s) específico (s) | Empuje (mN) | Masa del propulsor (kg) | Notas |
---|---|---|---|---|---|---|
efecto Hall | Bismuto | 1,9 [44] | 1520 (ánodo) [44] | 143 (alta) [44] | ||
efecto Hall | Bismuto | 25 [ cita requerida ] | ||||
efecto Hall | Bismuto | 140 [ cita requerida ] | ||||
efecto Hall | Yodo | 0,2 [45] | 1510 (ánodo) [45] | 12,1 (descarga) [45] | ||
efecto Hall | Yodo | 7 [46] | 1950 [46] | 413 [46] | ||
HiPEP | Xenón | 20–50 [47] | 6000 -9000 [47] | 460–670 [47] | ||
MPDT | Hidrógeno | 1500 [48] | 4900 [48] | 26 300 [ cita requerida ] | ||
MPDT | Hidrógeno | 3750 [48] | 3500 [48] | 88 500 [ cita requerida ] | ||
MPDT | Hidrógeno | 7500 [ cita requerida ] | 6000 [ cita requerida ] | 60 000 [ citación necesaria ] | ||
LiLFA | Vapor de litio | 500 | 4077 [ cita requerida ] | 12 000 [ cita requerida ] | ||
FEEP | Cesio liquido | 6 × 10 −5 - 0,06 | 6000 -10 000 [21] | 0,001-1 [21] | ||
VASIMR | Argón | 200 | 3000 -12 000 | Aproximadamente 5000 [49] | 620 [50] | |
GATO [51] | Xenón, yodo, agua [52] | 0,01 | 690 [53] [54] | 1,1–2 (73 mN / kW) [52] | <1 [52] | |
DS4G | Xenón | 250 | 19 300 | 2500 máx. | 5 | |
KLIMT | Criptón | 0,5 [55] | 4 [55] | |||
ID-500 | Xenón [56] | 32–35 | 7140 | 375–750 [57] | 34,8 | Para ser utilizado en TEM |
Toda la vida
El bajo empuje de los propulsores de iones requiere un funcionamiento continuo durante mucho tiempo para lograr el cambio de velocidad necesario ( delta-v ) para una misión en particular. Los propulsores de iones 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 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 causar la erosión de la rejilla. El final de la vida útil se alcanza cuando la estructura de la rejilla falla o los orificios en la rejilla se vuelven lo suficientemente grandes como para que la extracción de iones se vea sustancialmente afectada; por ejemplo, por la aparición de retroceso de electrones. La erosión de la red no se puede evitar y es el principal factor limitante de la vida útil. El diseño minucioso de la rejilla y la 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 de la NASA (NSTAR) 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 a punto de fallar. [58] [3] [4]
El proyecto Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) de la NASA operó de forma continua durante más de 48.000 horas. [59] La prueba se llevó a cabo en una cámara de prueba de alto vacío. En el transcurso de la prueba de más de 5,5 años, el motor consumió aproximadamente 870 kilogramos de propelente de xenón. El impulso total generado requeriría más de 10,000 kilogramos de propulsor de cohete convencional para una aplicación similar.
Se espera que el Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica (AEPS) acumule unas 5.000 horas y el diseño apunta a lograr un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23.000 horas [60] y una vida completa de unas 50.000 horas. [61]
Los propulsores Hall sufren una fuerte erosión de la cámara de descarga de cerámica por el impacto de iones energéticos: una prueba reportada en 2010 [62] mostró una erosión de alrededor de 1 mm por cada cien horas de operación, aunque esto es inconsistente con la vida útil en órbita observada de unos pocos mil horas.
Propulsores
La energía de ionización representa un gran porcentaje de la energía necesaria para hacer funcionar los accionamientos de iones. Por tanto, el propulsor ideal es fácil de ionizar y tiene una alta relación masa / energía de ionización. Además, el propulsor no debería erosionar el propulsor en gran medida para permitir una vida útil prolongada; y no debe contaminar el vehículo. [63]
Muchos diseños actuales utilizan gas xenón , ya que es fácil de ionizar, tiene un número atómico razonablemente alto, es inerte y causa poca erosión. Sin embargo, el xenón es escaso y caro a nivel mundial.
Algunos diseños de propulsores de iones más antiguos usaban propulsor de mercurio . Sin embargo, el mercurio es tóxico, tendía a contaminar las naves espaciales y era difícil alimentarlo con precisión. Un prototipo comercial moderno puede estar utilizando mercurio con éxito. [64]
Otros propulsores, como el bismuto y el yodo , son prometedores tanto para diseños sin rejilla como los propulsores de efecto Hall, [44] [45] [46] y los propulsores de iones con rejilla. [sesenta y cinco]
El yodo se utilizó por primera vez en el espacio como propulsor para la propulsión eléctrica en el propulsor de iones en cuadrícula NPT30-I2, a bordo de la misión Beihangkongshi-1 lanzada en noviembre de 2020. [66] [67] [68] El propulsor ambipolar CubeSat (CAT ) utilizado en la matriz de satélites de investigación ionosférica de Marte. El uso del propulsor ambipolar CubeSat (MARS-CAT) también propone utilizar yodo sólido como propulsor para minimizar el volumen de almacenamiento. [53] [54]
El diseño de VASIMR (y otros motores basados en plasma) son teóricamente capaces de utilizar prácticamente cualquier material como propulsor. Sin embargo, en las pruebas actuales, el propulsor más práctico es el argón , que es relativamente abundante y económico.
El criptón se utiliza 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 . [69]
Eficiencia energética
La eficiencia del propulsor de iones es la energía cinética del chorro de escape emitida por segundo dividida por la potencia eléctrica en el dispositivo.
La eficiencia energética general del sistema está determinada por la eficiencia de propulsión , que depende de la velocidad del vehículo y la velocidad de escape. Algunos propulsores pueden variar la velocidad de escape en funcionamiento, pero todos pueden diseñarse con diferentes velocidades de escape. En el extremo inferior del impulso específico, I sp , la eficiencia general cae, porque la ionización consume 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 dada para obtener un costo total mínimo.
Misiones
Los propulsores de iones 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 propulsores , por ejemplo, para combustibles químicos. Los propulsores de iones también se pueden utilizar para misiones interplanetarias y en el espacio profundo donde las tasas de aceleración no son cruciales. El empuje continuo durante períodos prolongados puede alcanzar altas velocidades mientras consume mucho menos propulsor que los cohetes químicos tradicionales.
Entre los propulsores eléctricos, los propulsores de iones han recibido la consideración comercial y académica más seria. Los propulsores de iones se consideran la mejor solución para estas misiones, ya que requieren un gran cambio de velocidad pero no requieren una aceleración rápida.
Vehículos de demostración
SERT
Los sistemas de propulsión iónica fueron demostrados por primera vez en el espacio por las misiones Lewis (ahora Centro de Investigación Glenn) de la NASA, Space Electric Rocket Test (SERT) -1 y SERT-2A. [70] El 20 de julio de 1964 se lanzó un vuelo suborbital SERT-1 , que demostró con éxito que la tecnología funcionaba según lo previsto en el espacio. Estos eran propulsores de iones electrostáticos que usaban mercurio y cesio como masa de reacción. SERT-2A, lanzado el 4 de febrero de 1970, [12] [71] verificó el funcionamiento de dos motores de iones de mercurio durante miles de horas de funcionamiento. [12]
Misiones operacionales
Los propulsores de iones se utilizan habitualmente para el mantenimiento de estaciones en satélites de comunicaciones comerciales y militares en órbita geosincrónica. La Unión Soviética fue pionera en este campo, utilizando propulsores de plasma estacionarios (SPT) en satélites a partir de principios de la década de 1970.
Dos satélites geoestacionarios ( Artemis de la ESA en 2001-2003 [72] y AEHF-1 del ejército de los Estados Unidos en 2010-2012 [73] ) utilizaron el propulsor de iones para cambiar de órbita después de que fallara el motor de propulsión química. Boeing [74] comenzó a usar propulsores de iones para el mantenimiento de la estación en 1997 y planeó en 2013-2014 ofrecer una variante en su plataforma 702, sin motor químico ni propulsores de iones para elevar la órbita; esto permite una masa de lanzamiento significativamente menor para una capacidad de satélite determinada. AEHF-2 usó un motor químico para elevar el perigeo a 16,330 km (10,150 mi) y procedió a una órbita geosincrónica usando propulsión eléctrica. [75]
En órbita terrestre
Starlink
La constelación de satélites Starlink de SpaceX utiliza propulsores de iones alimentados por criptón para elevar la órbita, realizar maniobras y desorbitar al final de su uso. [76]
GOCE
El 16 de marzo de 2009 se lanzó el Explorador de circulación oceánica en estado estable y campo de gravedad (GOCE) de la ESA . Utilizó propulsión iónica durante su misión de veinte meses para combatir la resistencia aerodinámica que experimentó en su órbita baja (altitud de 255 kilómetros) antes de desorbitar intencionalmente el 11 de noviembre de 2013.
En el espacio profundo
Espacio profundo 1
La NASA desarrolló el motor de iones NSTAR para su uso en misiones científicas interplanetarias a partir de finales de la década de 1990. Fue probado en el espacio en la exitosa sonda espacial Deep Space 1 , lanzada en 1998. Este fue el primer uso de la propulsión eléctrica como sistema de propulsión interplanetario en una misión científica. [70] Basado en los criterios de diseño de la NASA, Hughes Research Labs , desarrolló el Sistema de Propulsión de Iones de Xenón (XIPS) para realizar mantenimiento de estaciones en satélites geosincrónicos . [ cita requerida ] Hughes (EDD) fabricó el propulsor NSTAR utilizado en la nave espacial.
Hayabusa
La sonda espacial Hayabusa de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial se lanzó en 2003 y se encontró con éxito con el asteroide 25143 Itokawa . Estaba propulsado por cuatro motores de iones de xenón, que utilizaban resonancia ciclotrónica de electrones de microondas para ionizar el propulsor y un material compuesto de carbono / carbono resistente a la erosión para su rejilla de aceleración. [77] Aunque los motores de iones en Hayabusa experimentaron dificultades técnicas, la reconfiguración en vuelo permitió que uno de los cuatro motores fuera reparado y permitió que la misión regresara con éxito a la Tierra. [78]
Inteligente 1
El satélite SMART-1 de la Agencia Espacial Europea se lanzó en 2003 utilizando un propulsor Hall Snecma PPS-1350 -G para pasar de GTO a la órbita lunar. Este satélite completó su misión el 3 de septiembre de 2006, en una colisión controlada en la superficie de la Luna , luego de una desviación de trayectoria para que los científicos pudieran ver el cráter de 3 metros creado por el impacto en el lado visible de la Luna.
Amanecer
Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres . Utilizaba trespropulsores de iones de xenón tradicionales de Deep Space 1 (disparando 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. [79] La misión terminó el 1 de noviembre de 2018, cuando la nave espacial se quedó sinpropulsor químicode hidracina para sus propulsores de actitud. [80]
LISA Pathfinder
LISA Pathfinder es una nave espacial de la ESA lanzada en 2015. No usa propulsores de iones como su sistema de propulsión principal, pero usa propulsores coloidales y FEEP para un control de actitud preciso : los bajos empujes de estos dispositivos de propulsión hacen posible mover la nave espacial distancias incrementales precisamente. Es una prueba para la misión LISA . La misión finalizó el 30 de diciembre de 2017.
BepiColombo
La misión BepiColombo de la ESA se lanzó a Mercurio el 20 de octubre de 2018. [81] Utiliza propulsores de iones en combinación con oscilaciones para llegar a Mercurio, donde un cohete químico completará la inserción en órbita.
Misiones propuestas
Estación Espacial Internacional
A marzo de 2011[actualizar], se estaba considerando un futuro lanzamiento de un propulsor electromagnético VASIMR Ad Astra VF-200 de 200 kW para las pruebas en la Estación Espacial Internacional (ISS). [82] [83] Sin embargo, en 2015, la NASA puso fin a los planes para 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. [29]
El VF-200 habría sido una versión de vuelo del VX-200 . [84] [85] Dado que la potencia disponible de la ISS es inferior a 200 kW, la ISS VASIMR habría incluido un sistema de batería de carga lenta que permitía 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 aumentos periódicos de altitud ; un motor de alta eficiencia (alto impulso específico) para el mantenimiento de la posición sería valioso, teóricamente, el reinicio de VASIMR podría reducir el costo de combustible de los EE. $ 210 millones anuales a una vigésima parte. [82] En teoría, VASIMR podría usar tan solo 300 kg de gas argón para el mantenimiento de la estación de la ISS en lugar de 7500 kg de combustible químico; la alta velocidad de escape (alto impulso específico ) lograría la misma aceleración con una menor cantidad de propelente, en comparación con la propulsión química con su menor velocidad de escape que necesita más combustible. [86] La ISS genera hidrógeno como subproducto y se ventila 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. [86]
Puerta lunar
El elemento de potencia y propulsión (PPE) es un módulo del Lunar Gateway que proporciona capacidad de generación de energía y propulsión. Tiene como objetivo el lanzamiento en un vehículo comercial en enero de 2024. [87] Probablemente utilizaría el Sistema de propulsión eléctrica avanzada de 50 kW (AEPS). ) en desarrollo en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y Aerojet Rocketdyne . [60]
MARTE-GATO
La misión MARS-CAT (Marte de satélites de investigación ionosférica que utilizan el propulsor ambipolar CubeSat) es una misión conceptual de dos 6U CubeSat para estudiar la ionosfera de Marte. La misión investigaría su estructura de plasma y magnética, incluidas las estructuras de plasma transitorias, la estructura del campo magnético, la actividad magnética y la correlación con los impulsores del viento solar. [53] El propulsor CAT ahora se llama propulsor de RF y es fabricado por Phase Four. [54]
Misiones interestelares
Geoffrey A. Landis propuso usar un propulsor de iones impulsado por un láser espacial, junto con una vela de luz, para propulsar una sonda interestelar. [88] [89]
Cultura popular
- La idea de un motor de iones apareció por primera vez en By Airplane to the Sun de Donald W Horner : las aventuras de un aviador atrevido y sus amigos (1910). [90]
- La propulsión iónica es la principal fuente de empuje de la nave espacial Kosmokrator en la película de ciencia ficción de Alemania del Este / Polonia Der Schweigende Stern (1960). [91] Minuto 28:10.
- En el episodio de 1968 de Star Trek , " Spock's Brain ", Scotty queda impresionado repetidamente por el uso que hace una civilización del poder iónico. [92] [93]
- Los propulsores de iones aparecen repetidamente en la franquicia de Star Wars, sobre todo en el caza Twin Ion Engine (TIE) .
- Los propulsores de iones aparecen como la forma principal de propulsión en el vacío para la nave espacial en el juego Space Engineers .
- Los propulsores de iones se mencionan como un método de propulsión espacial en The Martian , donde se utilizan para propulsar la nave espacial tripulada Hermes entre la Tierra y Marte.
- La impulsión de iones es un medio principal de propulsión para naves espaciales y aviones en la serie de ciencia ficción Worlds Spinning Round de TE Greene (2005, 2012, 2017)
Ver también
- Sistema avanzado de propulsión eléctrica
- Propulsor coloide
- Comparación de motores de cohetes orbitales
- Propulsión de naves espaciales con propulsión eléctrica
- Lista de naves espaciales con propulsión eléctrica
- Propulsor de extracción de campo de nanopartículas
- Cohete eléctrico nuclear
- Propulsión de pulso nuclear
- Actuador de plasma
- Motor de propulsión de plasma
- Propulsión de naves espaciales
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enlaces externos
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- El revolucionario motor de iones que llevó las naves espaciales a Ceres
- Subsistemas de propulsión eléctrica
- Propulsores de plasma estacionarios
Artículos
- "La NASA triunfa sobre Star Trek: ¡Ion Drive Live!" The Daily Galaxy 13 de abril de 2009.
- "El último artilugio espacial: ¡Ion Drive Live de la NASA!" The Daily Galaxy , 7 de julio de 2009.
- Un motor de iones experimental temprano se exhibe en el Aerospace Discovery en el Florida Air Museum .