Propulsor iónicu

Un propulsor iónicu o motor iónicu ye un tipu de propulsión espacial qu'utiliza un fexe d'iones (molécules o átomos con carga llétrica) pa la propulsión. El métodu precisu p'acelerar los iones puede variar, pero tolos diseños usen la ventaya de la rellación carga-masa de los iones p'aceleralos a velocidaes bien altes utilizando un campu llétrico. Gracies a esto, los propulsores iónicos pueden algamar un impulsu específicu alto, amenorgando la cantidá de masa necesario, pero amontando la cantidá de potencia necesaria comparada colos cohetes convencionales. Los motores iónicos pueden desenvolver un orde de magnitú mayor d'eficacia de combustible que los motores de cohete de combustible líquidu, pero acutaos a aceleraciones bien baxes pola rellación potencia-masa de los sistemes disponibles.

El principiu del propulsor iónicu data de los conceutos desenvueltos pol físicu Hermann Oberth y la so obra publicada en 1929, Die Rakete zu dean Planetenräumen. El primer tipu de motor iónicu, conocíu como propulsor iónicu de tipu Kaufman, desenvolver nos años 1960 por Harold R. Kaufman, trabayando pa la NASA y basaos nel Duoplasmatrón.

Tipos

Esiste dellos tipos de motores iónicos en desenvolvimientu: dalgunos son utilizaos, ente qu'otros entá nun fueron probaos en naves espaciales. Dalgunos de los tipos son:

Propulsor coloidal
Propulsor iónicu electrostático
FEEP
Propulsor a efeutu Hall (HET).
Propulsor helicoidal de doble capa (HDLT).
Propulsor inductivu pulsante (PIT).
Propulsor magnetoplasmadinámico (MPD).
Motor de magnetoplasma d'impulsu específicu variable (VASIMR).

Diseñu xeneral

Nel so diseñu más senciellu, un propulsor iónicu electrostático, los átomos d'argón, mercuriu o xenón son ionizados por aciu la esposición d'electrones provenientes d'un cátodu. Los iones son aceleraos al pasalos al traviés de rejillas cargaes.

Tamién se disparen electrones al fexe d'iones que sale de les rejillas como iones cargaos positivamente que dexen el propulsor. Esto caltién a la nave espacial y el fexe del propulsor llétricamente neutrales. L'aceleración utiliza una masa bien pequeño, con un impulsu específicu (I_sp) bien alto. Nos años setenta y ochenta, la investigación de la propulsión iónica empezó utilizando cesio pero viose que producía erosión nes rejillas, polo que s'empezó a utilizar principalmente gases nobles.

Enerxía utilizada

Esquema d'un motor iónicu.

Un factor importante ye la cantidá d'enerxía o potencia necesaría pa faer funcionar el propulsor, en parte pola ionización de los materiales, pero principalmente p'acelerar los iones a velocidaes bien altes por que tenga un efeutu útil. Les velocidaes de salida habituales suelen ser de 30 000 m/s, que ye enforma mayor que los 3000 a 4500 m/s que llogra un cohete convencional. Esto tamién sirve p'amenorgar la cantidá de propelente necesariu.

Nos motores iónicos, la mayor parte de la enerxía perder na salida a velocidaes altes y afecta a los niveles d'emburrie. Como resultancia, l'emburrie total llográu a partir de cierta cantidá d'enerxía ye inversamente proporcional a la velocidá de salida (una y bones el consumu d'enerxía per kilogramu de propelente ye proporcional a la velocidá de salida al cuadráu, pero l'emburrie por kilogramu de propelente solo ye proporcional a la velocidá de salida, según la ecuación del cohete de Tsiolskovski). Por tanto, aumentar la cantidá de movimientu de la salida d'iones diez vegaes precisaría gastar cien veces más n'enerxía. Arriendes d'ello, sacrifícase ente l'impulsu específicu y l'emburrie, siendo dambos inversamente proporcionales a una cierta cantidá d'enerxía.

Un propulsor iónicu utilizando un acelerador de partícules pue ser diseñáu p'algamar una velocidá de salida cercana a la velocidá de la lluz. Esto apurriría-y un impulsu específicu al motor d'unos 30 millones de segundos (casi un añu), pero daría inevitablemtente un emburrie insignificante debíu al poco fluxu de propelente.

La velocidá de salida de los iones cuando son aceleraos dientro del campu llétrico pue ser calculáu cola fórmula:

v_{i}={\sqrt {2VQ \over m_{i}}}

Onde $v_{i}$ ye la velocidá del ion aceleráu,
$Q$ ye la carga del ion,
$m_{i}$ ye la masa del ion y
$V$ ye la diferencia de potencial del campu llétrico.

Emburrie

Na práutica, les fontes d'enerxía pueden apurrir delles decenes de kilovatio, dando un impulsu específicu de 3000 segundos (30 kN•s/kg), consiguiendo una fuercia bien modesto, del orde de décimes o centésimes d'un newton. Los motores de mayores dimensiones precisen fontes d'enerxía más grandes. Un propulsor iónicu suel acelerar una nave espacial ente 0,000098 m/s² a 0,0098 m/s² (ente una milésima y una cenmilésima parte de l'aceleración de la gravedá). La fuercia qu'exerz esti motor ye equivalente a encomalo qu'exerz una fueya de papel sobre la palma d'una mano. Esto quier dicir que la so velocidá inicial ye diminuta pero gracies a que nel espaciu nun hai resfregón, puede llegar a algamar grandes velocidaes mientres un periodu indetermináu de tiempu. Anguaño estos motores usar en satélites pa caltener la so órbita.^[1]

Vida útil

Debíu al emburrie baxu, la vida útil del propulsor iónicu convertir nuna carauterística importante. Los propulsores iónicos pueden funcionar mientres un periodu llargu pa dexar que la pequeña aceleración llogre una velocidá útil.

Nel diseñu más senciellu, un propulsor iónicu electrostático, los iones de cutiu cuten la rejilla, erosionándola y finalmente provocando una avería. Les rejillas de dimensiones amenorgaes mengua la posibilidá d'estos choques accidentales, pero tamién amenorga la cantidá de carga que pueden remanar, amenorgando l'emburrie.

Misiones

De tolos propulsores llétricos, los motores iónicos fueron consideraos, de forma comercial y académica, los más apropiaos pa misiones interplanetaries y maniobres n'órbita. Viose a los propulsores iónicos como la meyor solución en misiones que precise una diferencia de velocidá bien alta y dispóngase d'un periodu llargu pa consiguilo.

SERT

La primer nave espacial qu'utilizó esta teunoloxía foi la SERT I, fabricada nel Space Electric Rocket Test, y llanzada el 20 de xunetu de 1964,^[2] siguida de la SERT II, llanzada'l 3 de febreru de 1970.^[3]^[4]^[5]

Deep Space 1

La NASA desenvolvió un propulsor iónicu denomináu NSTAR pa utilizalo en misiones interplanetaries. El propulsor probar cola sonda espacial Deep Space 1, llanzada en 1998. Hughes desenvolviera'l Sistema de Propulsión Iónica de Xenón o XIPS pa caltener n'órbita a los satélites geoestacionarios.

SMART 1

Mientres décades, la Xunión Soviética utilizó un propulsor d'efeutu Hall pa caltener la órbita na so estación espacial MIR.

L'Axencia Espacial Europea utilizó'l mesmu tipu na so sonda SMART-1, llanzada en 2003. La sonda completó la so misión el 3 de setiembre de 2006 nun choque controláu cola superficie de la Lluna.

Artemis

El 12 de xunetu de 2001, l'Axencia Espacial Europea fracasó nel llanzamientu del satélite de comunicaciones Artemis, nun algamar la órbita riquida. El suministru de propelente del satélite yera abondu pa tresferilo a una órbita semiestable y mientres los siguientes 18 meses utilizó'l sistema de propulsión iónica pa la so tresferencia a una órbita geostacionaria.^[6]

Hayabusa

La sonda Hayabusa de l'Axencia Xaponesa d'Esploración Aeroespacial, que se llanzó en 2003 y averóse con ésitu al asteroide (25143) Itokawa, permaneció na so redoma mientres dellos meses pa la recoyida de muestres ya información, tando propulsada por cuatro motores iónicos de xenón. La sonda dispón d'una rejilla de material compuesto que ye resistente a la erosión.^[7]

Dawn

La sonda Dawn foi llanzada'l 27 de setiembre de 2007 pa esplorar l'asteroide Vesta (al que llegó'l vienres 15 de xunetu de 2011) y el planeta nanu Ceres (al que llegó n'abril del 2015, en partiendo de Vesta nel 2012). P'algamar los sos oxetivos ta utilizando trés motores iónicos herederos del motor de la Deep Space 1, realizando un percorríu en forma d'espiral.

GOCIE

El 17 de marzu de 2009 l'Axencia Espacial Europea llanzó la so satélite Esplorador de la Circulación Oceánica y del campu Gravitatoro o GOCIE (de les sos sigles n'inglés Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) qu'utiliza un propulsor d'iones pa compensar los efeutos de la esfregadura cola atmósfera causaos pola baxa altor de la so órbita.

AEHF-1

El satélite militar estauxunidense AEHF-1, llanzáu en 2010,^[8] emplega ―al igual que'l satélite européu Artemis― propulsión iónica pa caltenese n'órbita terrestre, al traviés d'un propulsor d'efeutu Hall.

Desenvolvimientu

En 2003, la NASA probó en tierra una nueva versión del so propulsor iónicu denominada High Power Electric Propulsion o HiPEP. El propulsor HiPEP difier de los modelos anteriores en que los iones de xenón son creaos utilizando una combinación d'enerxía de microondes y campos magnéticos. La ionización consiguir por aciu un procesu llamáu resonancia electrón ciclotrón o ECR. Nel ECR, aplícase un campu magnéticu uniforme na cámara que contién el gas xenón. Hai presentes una pequeña cantidá d'electrones llibres na órbita del gas alredor de les llinies del campu magnéticu nuna frecuencia fita, denominada frecuencia de ciclotrón. La radiación de microondes realizar cola mesma frecuencia, suministrando enerxía a los electrones, que depués ionizan más átomos de xenón por aciu choques. Esti procesu crea de forma bien eficiente un plasma en gases de densidá baxa. Entamóse usar el HiPEP na misión Jupiter Icy Moons Orbiter, pero foi atayada en 2005.

Consideráronse otros propelente pa los motores iónicos. Investigóse l'usu de fulerenos pa esti propósitu, específicamente'l C₆₀ o buckminster-fulereno, debíu en parte a la so seición tresversal de mayor tamañu pal impautu d'electrones. Esta propiedá dalu mayor eficacia que los diseños basaos en xenón d'impulsu específicu menor a 3000 segundos (29 kN•s/kg).

Comparanza del impulsu específicu de distintes teunoloxíes

Impulsu específicu de delles teunoloxíes de propulsión
Motor	Velocidá d'escape efeutiva (m/s)	Impulsu específicu (s)	Escape de la enerxía específica (MJ/kg)
Turbofan motor a reacción (actual V ye 300 m/s)	29.000	3.000	~0,05
Tresbordador Espacial Cohete Acelerador Sólidu	2.500	250	3
Osíxenu líquido-hidróxenu líquido	4.400	450	9,7
Propulsor iónicu	29.000	3.000	430
VASIMR^[9]^[10]^[11]	30.000–120.000	3.000–12.000	1.400
Propulsor d'iones de cuadrícula de doble etapa^[12]	210.000	21.400	22.500

Referencies

↑ http://www.space.com/15528-ion-engine-test-firing.html
↑ Sovey, J. S.; Rawlin, V. K.; y Patterson, M. J.: «Ion propulsion development projects in O. S.: Space Electric Rocket Test 1 to Deep Space 1», artículu n'inglés na revista Journal of Propulsion and Power, vol. 17, nᵘ 3, páxs. 517-526; mayu-xunu de 2001.
↑ NASA Glenn, "«Space Electric Rocket Test II (SERT II)» Archiváu 2011-09-27 en Wayback Machine, artículu n'inglés nel sitiu web GRC NASA. Consultáu'l 1 de xunetu de 2010.
↑ SERT Archiváu 2010-10-25 en Wayback Machine page at Astronautix (Accessed July 1, 2010)
↑ «Space Electric Rocket Test». Archiváu dende l'orixinal, el 2011-09-27.
↑ ESA. «Artemis team receives award for space rescue» (inglés).
↑ ISAS. «小惑星探査機はやぶさ搭載イオンエンジン (Motores iónicos utilizaos na sonda Hayabusa)» (xaponés). Archiváu dende l'orixinal, el 19 d'agostu de 2006.
↑ «Rescue in Space». Archiváu dende l'orixinal, el 19 de payares de 2012.
↑ «Copia archivada». Archiváu dende l'orixinal, el 9 d'agostu de 2017. Consultáu'l 13 d'abril de 2015.
↑ «Archived copy». Archiváu dende l'orixinal, el 2020-08-07.
↑ http://spacefellowship.com/news/art24083/vasimr-vx-200-meets-full-power-efficiency-milestone.html
↑ http://www.esa.int/esaCP/SEMOSTG23IE_index_0.html

Ver tamién

Enllaces esternos

«Ion propulsion» Archiváu 2006-09-01 en Wayback Machine, artículu n'inglés en Glenn Research Center (NASA).
«Plasma propulsion in space», artículu n'inglés nel sitiu web AIP (NASA).
«ElectroHydroDynamic Thrusters (EHDT)», artículu n'inglés nel sitiu web RM Cybernetics.

[1] ttp://www.space.com/15528-ion-engine-test-firing.html

[Sovey-2] Sovey, J. S.; Rawlin, V. K.; y Patterson, M. J.: «Ion propulsion development projects in O. S.: Space Electric Rocket Test 1 to Deep Space 1», artículu n'inglés na revista Journal of Propulsion and Power, vol. 17, nᵘ 3, páxs. 517-526; mayu-xunu de 2001.

[3] NASA Glenn, "«Space Electric Rocket Test II (SERT II)» Archiváu 2011-09-27 en Wayback Machine, artículu n'inglés nel sitiu web GRC NASA. Consultáu'l 1 de xunetu de 2010.

[4] SERT Archiváu 2010-10-25 en Wayback Machine page at Astronautix (Accessed July 1, 2010)

[5] «Space Electric Rocket Test». Archiváu dende l'orixinal, el 2011-09-27.

[6] ESA. «Artemis team receives award for space rescue» (inglés).

[7] ISAS. «小惑星探査機はやぶさ搭載イオンエンジン (Motores iónicos utilizaos na sonda Hayabusa)» (xaponés). Archiváu dende l'orixinal, el 19 d'agostu de 2006.

[8] «Rescue in Space». Archiváu dende l'orixinal, el 19 de payares de 2012.

[9] «Copia archivada». Archiváu dende l'orixinal, el 9 d'agostu de 2017. Consultáu'l 13 d'abril de 2015.

[10] «Archived copy». Archiváu dende l'orixinal, el 2020-08-07.

[11] ttp://spacefellowship.com/news/art24083/vasimr-vx-200-meets-full-power-efficiency-milestone.html

[12] ttp://www.esa.int/esaCP/SEMOSTG23IE_index_0.html

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]