Un motor de propulsión de plasma es un tipo de propulsión eléctrica que genera empuje a partir de un plasma casi neutro . Esto contrasta con los motores propulsores de iones , que generan empuje extrayendo una corriente de iones de la fuente de plasma , que luego se acelera a altas velocidades utilizando rejillas / ánodos. Estos existen en muchas formas (ver propulsión eléctrica ). Sin embargo, en la literatura científica, el término " propulsor de plasma " a veces abarca los propulsores normalmente designados como " motores de iones ". [1]
Los propulsores de plasma no suelen utilizar rejillas de alto voltaje o ánodos / cátodos para acelerar las partículas cargadas en el plasma, sino que utilizan corrientes y potenciales que se generan internamente en el plasma para acelerar los iones del plasma. Si bien esto da como resultado una velocidad de escape más baja en virtud de la falta de altos voltajes de aceleración, este tipo de propulsor tiene una serie de ventajas. La falta de rejillas de ánodos de alto voltaje elimina un posible elemento limitante como resultado de la erosión iónica de la rejilla. El escape de plasma es 'cuasi-neutro', lo que significa que los iones y los electrones existen en igual número, lo que permite una simple recombinación de iones y electrones en el escape para neutralizar la columna de escape, eliminando la necesidad de un cañón de electrones (cátodo hueco). Este tipo de propulsor genera a menudo la fuente de plasma usando radiofrecuencia o energía de microondas, usando una antena externa. Este hecho, combinado con la ausencia de cátodos huecos (que son muy sensibles a todos menos a unos pocos gases nobles) permite la intrigante posibilidad de poder utilizar este tipo de propulsor en una amplia gama de propulsores, desde argón, hasta dióxido de carbono, mezclas de aire, a orina de astronauta. [2]
Los motores de plasma son más adecuados [ vagos ] para misiones de viajes espaciales interplanetarios de larga distancia . [3]
En los últimos años, muchas agencias han desarrollado varias formas de sistemas de propulsión de plasma, incluida la Agencia Espacial Europea , la Agencia Espacial Iraní y la Universidad Nacional de Australia , que han desarrollado conjuntamente un tipo más avanzado descrito como propulsor de doble capa . [4] [5] Sin embargo, esta forma de motor de plasma es solo uno de muchos tipos.
Ventajas
Los motores de plasma tienen un valor de impulso específico ( I sp ) mucho más alto que la mayoría de los otros tipos de tecnología de cohetes. El propulsor VASIMR se puede estrangular para un impulso superior a 12000 s, y los propulsores de pasillo han alcanzado unos 2000 s. Esta es una mejora significativa con respecto a los combustibles bipropelentes de los cohetes químicos convencionales, con impulsos específicos en el rango de 450 s. [6] Con alto impulso, los propulsores de plasma son capaces de alcanzar velocidades relativamente altas durante períodos prolongados de aceleración. El exastronauta Franklin Chang-Diaz afirma que el propulsor VASIMR podría enviar una carga útil a Marte en tan solo 39 días, mientras alcanza una velocidad máxima de 34 millas por segundo. [7]
Ciertos propulsores de plasma, como el minihelicón, son aclamados por su simplicidad y eficiencia. Su teoría de funcionamiento es relativamente simple y puede utilizar una variedad de gases o combinaciones de gases como propulsor.
Estas cualidades sugieren que los propulsores de plasma serán valiosos para muchos perfiles de misión. [8]
Inconvenientes
Posiblemente, el desafío más importante para la viabilidad de los propulsores de plasma es el requisito de energía. [5] El motor VX-200, por ejemplo, requiere 200 kW de potencia eléctrica para producir 5 N de empuje, o 40 kW / N. Los reactores de fisión pueden satisfacer este requisito de potencia, pero la masa del reactor (incluidos los sistemas de rechazo de calor) puede resultar prohibitiva. [9] [10]
Otro desafío es la erosión del plasma. Mientras está en funcionamiento, el plasma puede realizar una ablación térmica de las paredes de la cavidad del propulsor y la estructura de soporte, lo que eventualmente puede provocar una falla del sistema. [11] El diseño y el avance de los materiales pueden resolver este problema.
Debido a su empuje extremadamente bajo, los motores de plasma no son adecuados para el lanzamiento a la órbita de la Tierra. En promedio, estos cohetes proporcionan alrededor de 2 libras de empuje máximo. [6] Los propulsores de plasma son muy eficientes en espacios abiertos, pero no hacen nada para compensar el gasto de lanzamiento de cohetes químicos.
Motores de plasma en uso
Si bien la mayoría de los motores de plasma todavía están confinados al laboratorio, algunos han visto tiempo de vuelo activo y se han utilizado en misiones. En 2011, la NASA se asoció con la compañía aeroespacial Busek y lanzó el primer propulsor de efecto hall a bordo del satélite Tacsat-2 . El propulsor era el principal sistema de propulsión del satélite. Desde entonces, la compañía ha lanzado otro propulsor de efecto hall en 2011. [12] Es probable que más propulsores de plasma vean tiempo de vuelo a medida que maduran las tecnologías. [ cita requerida ] En 2020, la Universidad de Wuhan publicó una investigación sobre cómo podría verse un chorro de plasma . [13]
Tipos de motor
Propulsores de plasma Helicon
Los propulsores de plasma Helicon utilizan ondas electromagnéticas de baja frecuencia (ondas Helicon) que existen dentro del plasma cuando se exponen a un campo magnético estático. Se utiliza una antena de RF que envuelve una cámara de gas para crear las ondas y excitar el gas. Una vez que la energía proporcionada por la antena se acopla con el gas, se crea el plasma. Una vez que se forma el plasma, este se expulsa a alta velocidad para producir empuje mediante el uso de diferentes estrategias de aceleración que requieren diferentes combinaciones de campos eléctricos y magnéticos de topología ideal. Estos propulsores son capaces de utilizar muchos propulsores diferentes, lo que los hace ideales para misiones a largo plazo, ya que pertenecen a la categoría de propulsores sin electrodos. El diseño simple también lo hace versátil, ya que se puede fabricar con materiales simples como una botella de refresco de vidrio. [8]
Propulsores magnetoplasmadinámicos
Los propulsores magnetoplasmodinámicos (MPD) utilizan la fuerza de Lorentz (una fuerza resultante de la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica ) para generar un empuje: la carga eléctrica que fluye a través del plasma en presencia de un campo magnético que hace que el plasma se acelere debido a la fuerza magnética generada. La fuerza de Lorentz también es crucial para el funcionamiento de la mayoría de los propulsores de plasma pulsado .
Propulsores inductivos pulsados
Los propulsores inductivos pulsados (PIT) también utilizan la fuerza de Lorentz para generar empuje, pero a diferencia del propulsor magnetoplasmodinámico, no utilizan ningún electrodo, lo que anula el problema de la erosión. La ionización y las corrientes eléctricas en el plasma son inducidas por un campo magnético que varía rápidamente.
Propulsores de plasma sin electrodos
Los propulsores de plasma sin electrodos utilizan la fuerza ponderomotriz que actúa sobre cualquier plasma o partícula cargada cuando están bajo la influencia de un fuerte gradiente de densidad de energía electromagnética para acelerar tanto los electrones como los iones del plasma en la misma dirección, por lo que pueden funcionar sin neutralizador.
VASIMR
VASIMR, abreviatura de Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable, utiliza ondas de radio para ionizar un propulsor en plasma. Luego, un campo magnético acelera el plasma del motor del cohete , generando empuje . El VASIMR está siendo desarrollado por Ad Astra Rocket Company , con sede en Houston, TX. Una Nueva Escocia , Canadá basados en compañía de Nautel , está produciendo los generadores de RF 200 kW requeridos para ionizar el propelente. Algunas pruebas de componentes y experimentos de "Plasma Shoot" se realizan en un laboratorio de Liberia, Costa Rica . Este proyecto está dirigido por el ex astronauta de la NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).
La Alianza Aeroespacial Costarricense ha anunciado el desarrollo de un soporte exterior para que el VASIMR se instale fuera de la Estación Espacial Internacional . Se espera que esta fase del plan para probar el VASIMR en el espacio se lleve a cabo en 2016. Un motor VASIMR proyectado de 200 megavatios podría reducir el tiempo de viaje de la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y de la Tierra a Marte. de 6 meses a 39 días. [12]
Ver también
- Vela magnética
- Propulsor de iones
- Vuelo espacial
- Vehículo aéreo electromagnético sin alas
- Propulsión de naves espaciales con propulsión eléctrica
- Lista de artículos de física del plasma
Referencias
- ↑ Mazouffre, Stéphane (1 de junio de 2016). "Propulsión eléctrica para satélites y naves espaciales: tecnologías establecidas y enfoques novedosos". Ciencia y tecnología de fuentes de plasma . 25 (3): 033002. doi : 10.1088 / 0963-0252 / 25/3/033002 .
- ^ "La Universidad Nacional de Australia desarrolla un propulsor de plasma de helicón" . Dvice. Enero de 2010 . Consultado el 8 de junio de 2012 .
- ^ "La empresa NS ayuda a construir un cohete de plasma" . cbcnews. Enero de 2010 . Consultado el 24 de julio de 2012 .
- ^ "El motor de plasma pasa la prueba inicial" . BBC News . 14 de diciembre de 2005.
- ^ a b "Motores a reacción de plasma que podrían llevarte del suelo al espacio" . Nuevo científico . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ a b "Viaje espacial ayudado por propulsores de plasma: pasado, presente y futuro | DSIAC" . www.dsiac.org . Archivado desde el original el 8 de agosto de 2017 . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ "Antimateria a unidades de iones: planes de la NASA para la propulsión del espacio profundo" . Revista Cosmos . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ a b "Cohete tiene como objetivo empujones más baratos en el espacio; el propulsor de plasma es pequeño, funciona con gases baratos" . ScienceDaily . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ "Información técnica | Ad Astra Rocket" . www.adastrarocket.com . Consultado el 1 de junio de 2020 .
- ^ "El motor de plasma de 123.000 MPH que finalmente podría llevar a los astronautas a Marte" . Ciencia popular . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ "Viajando a Marte con cohetes de plasma inmortales" . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ a b "TacSat-2" . www.busek.com . Consultado el 29 de julio de 2017 .
- ^ "¿Podría este motor de plasma chino hacer realidad el transporte aéreo ecológico?" . Poste de la mañana del sur de China . 8 de mayo de 2020.
enlaces externos
- Propulsión de plasma en el espacio - AIP Octubre de 2000
- Propulsor de plasma Mini-Helicon