Un propulsor magnetoplasmadynamic (MPD) ( MPDT ) es una forma de propulsión de una nave espacial accionada eléctricamente que utiliza la fuerza de Lorentz (la fuerza sobre una partícula cargada por un campo electromagnético) para generar empuje. A veces se lo conoce como Lorentz Force Accelerator (LFA) o (principalmente en Japón) MPD arcjet.
Generalmente, un material gaseoso se ioniza y se alimenta a una cámara de aceleración, donde los campos magnéticos y eléctricos se crean utilizando una fuente de energía. Luego, las partículas son impulsadas por la fuerza de Lorentz resultante de la interacción entre la corriente que fluye a través del plasma y el campo magnético (que se aplica externamente o se induce por la corriente) a través de la cámara de escape. A diferencia de la propulsión química, no hay combustión de combustible. Al igual que con otras variaciones de propulsión eléctrica, tanto el impulso como el empuje específicos aumentan con la entrada de potencia, mientras que el empuje por vatio disminuye.
Hay dos tipos principales de propulsores MPD, de campo aplicado y de campo propio. Los propulsores de campo aplicado tienen anillos magnéticos que rodean la cámara de escape para producir el campo magnético, mientras que los propulsores de campo propio tienen un cátodo que se extiende a través del centro de la cámara. Los campos aplicados son necesarios a niveles de potencia más bajos, donde las configuraciones de campo propio son demasiado débiles. Se han utilizado varios propulsores como xenón , neón , argón , hidrógeno , hidracina y litio , siendo el litio generalmente el de mejor rendimiento.
Según Edgar Choueiri, los propulsores magnetoplasmodinámicos tienen una potencia de entrada de 100 a 500 kilovatios, una velocidad de escape de 15 a 60 kilómetros por segundo, un empuje de 2,5 a 25 newtons y una eficiencia de 40 a 60 por ciento. Sin embargo, investigaciones adicionales han demostrado que las velocidades de escape pueden superar los 100 kilómetros por segundo. [1] [2]
Una aplicación potencial de los propulsores magnetoplasmadynamic es el motor de propulsión principal para carga pesada y vehículos espaciales piloteados (ejemplo motor para la misión humana a Marte ). [1] [2]
Ventajas
En teoría, los propulsores MPD podrían producir impulsos específicos extremadamente altos (I sp ) con una velocidad de escape de hasta y más allá110 000 m / s , el triple del valor de los propulsores de iones de xenón actuales y unas 25 veces mejores que los cohetes líquidos. La tecnología MPD también tiene el potencial para niveles de empuje de hasta 200 newtons (N) (45 lb F ), con mucho el más alto para cualquier forma de propulsión eléctrica, y casi tan alto como muchos cohetes químicos interplanetarios. [ cita requerida ] Esto permitiría el uso de propulsión eléctrica en misiones que requieren maniobras rápidas delta-v (como la captura en órbita alrededor de otro planeta), pero con una eficiencia de combustible mucho mayor. [3]
Desarrollo
La tecnología de propulsores MPD se ha explorado académicamente, pero el interés comercial ha sido bajo debido a varios problemas pendientes. Un gran problema es que se requieren requisitos de energía del orden de cientos de kilovatios para un rendimiento óptimo. Los sistemas de energía de las naves espaciales interplanetarias actuales (como los generadores termoeléctricos de radioisótopos y los paneles solares) son incapaces de producir tanta energía. Se esperaba que el reactor Proyecto Prometheus de la NASA generara energía en el rango de cientos de kilovatios, pero se suspendió en 2005.
Un proyecto para producir un reactor nuclear espacial diseñado para generar 600 kilovatios de energía eléctrica comenzó en 1963 y se desarrolló durante la mayor parte de la década de 1960 en la URSS . Fue para alimentar un satélite de comunicaciones que finalmente no fue aprobado. [4] Los reactores nucleares que suministran kilovatios de energía eléctrica (del orden de diez veces más que los actuales suministros de energía RTG) han sido orbitados por la URSS: RORSAT ; [5] y TOPAZ . [6]
Los planes para desarrollar un reactor nuclear a escala de megavatios para su uso a bordo de una nave espacial tripulada fueron anunciados en 2009 por el Instituto Kurchatov nuclear ruso , [7] la agencia espacial nacional Roskosmos , [8] y confirmados por el presidente ruso Dmitry Medvedev en su discurso de noviembre de 2009 a la Asamblea Federal . [9]
Otro plan, propuesto por Bradley C. Edwards , es transmitir energía desde el suelo. Este plan utiliza 52 láseres de electrones libres de 200 kW a 0,84 micrómetros con óptica adaptativa en el suelo para transmitir energía a la nave espacial impulsada por MPD, donde se convierte en electricidad mediante paneles fotovoltaicos de GaAs . La sintonización de la longitud de onda del láser de 0,840 micrómetros (1,48 eV por fotón) y la banda prohibida del panel fotovoltaico de1,43 eV entre sí produce una eficiencia de conversión estimada del 59% y una densidad de potencia prevista de hasta540 kW / m 2 . Esto sería suficiente para alimentar una etapa superior de MPD, quizás para elevar satélites de LEO a GEO. [10]
Otro problema con la tecnología MPD ha sido la degradación de los cátodos debido a la evaporación impulsada por altas densidades de corriente (en exceso de 100 A / cm 2 ). Se ha demostrado en el laboratorio que el uso de mezclas de propulsores de litio y bario y cátodos huecos multicanal es una solución prometedora para el problema de la erosión del cátodo [ cita requerida ] .
Investigar
La investigación sobre los propulsores MPD se ha llevado a cabo en los EE. UU., La ex Unión Soviética , Japón, Alemania e Italia. Los prototipos experimentales se volaron por primera vez en naves espaciales soviéticas y, más recientemente, en 1996, en la Unidad de Voladores Espaciales Japoneses , que demostró el funcionamiento exitoso de un propulsor MPD pulsado casi estable en el espacio. La investigación en el Instituto de Aviación de Moscú , RKK Energiya , Universidad Nacional de Aeronáutica, Instituto de Aviación de Kharkiv , Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart , el ICEA , Centrospazio , Alta SpA , la Universidad de Osaka , Universidad del Sur de California , la Universidad de Princeton 's propulsión eléctrica y Plasma Dynamics Lab (EPPDyL) (donde la investigación de los propulsores MPD ha continuado ininterrumpidamente desde 1967) y los centros de la NASA ( Jet Propulsion Laboratory y Glenn Research Center ) han resuelto muchos problemas relacionados con el rendimiento, la estabilidad y la vida útil de los propulsores MPD.
Se probó un propulsor MPD a bordo de la Unidad Japonesa de Voladores Espaciales como parte del EPEX (Experimento de Propulsión Eléctrica) que fue lanzado el 18 de marzo de 1995 y recuperado por la misión del transbordador espacial STS-72 el 20 de enero de 1996. Hasta la fecha, es el único operativo El propulsor MPD ha volado en el espacio como sistema de propulsión. Los prototipos experimentales se volaron por primera vez en naves espaciales soviéticas.
El propulsor MPD de campo aplicado en desarrollo en el Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart alcanzó una eficiencia del propulsor del 61,99% en 2019, correspondiente a un impulso específico de I sp = 4665 sy 2,75 N de empuje. [11]
Ver también
- Propulsor de efecto Hall
- Propulsor de iones
- Magnetohidrodinámica
- Vela magnética
- Propulsor de plasma pulsado
- Paneles solares en naves espaciales
- Propulsión de naves espaciales
- VASIMR
- Lista de artículos sobre plasma (física)
Referencias
- ↑ a b Choueiri, Edgar Y. (2009). Nuevo amanecer del cohete eléctrico. Propulsor de próxima generación
- ^ a b Choueiri, Edgar Y. (2009) Nuevo amanecer del cohete eléctrico Scientific American 300, 58–65 doi : 10.1038 / scientificamerican0209-58
- ^ El Instituto Kurchatov con Roskosmos renovó el trabajo sobre el desarrollo de fuentes de energía nuclear para vuelos interplanetarios, junio de 2009 (en ruso
- ^ Satélite de comunicaciones globales que utiliza energía nuclear. Archivado 2008-07-09 en Wayback Machine.
- ^ La URSS / Rusia - RORSAT, Topaz y RTG
- ^ TOPAZ
- ^ El Instituto Kurchatov con Roskosmos renovó el trabajo sobre el desarrollo de fuentes de energía nuclear para vuelos interplanetarios , junio de 2009 (en ruso)
- ^ Roskosmos preparó un proyecto de una nave espacial tripulada con un motor nuclear , RIAN , octubre de 2009 (en ruso)
- ^ "Los avances en el campo nuclear se aplicarán activamente ... también para crear dispositivos propulsores capaces de garantizar vuelos espaciales incluso a otros planetas", del discurso de noviembre de 2009 a la Asamblea Federal [ enlace muerto permanente ] .
- ^ Edwards, Bradley C. Westling, Eric A. El ascensor espacial: un revolucionario sistema de transporte de la Tierra al espacio. 2002, 2003 BC Edwards, Houston, TX.
- ^ Boxberger, Adam; Behnke, Alexander; Herdrich, Georg (2019). "Avances actuales en la optimización de regímenes operativos de propulsores MPD de campo aplicado en estado estacionario" (PDF) . Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica (IEPC) . IEPC-2019-585.
enlaces externos
- Choueiri, Edgar Y. (2009). Nuevo amanecer del cohete eléctrico. Propulsor de próxima generación
- Motor de búsqueda de un gran archivo de artículos técnicos sobre la investigación de propulsores MPD
- MPD - MagnetoPlasma Propulsión dinámica