Propulsor iónico

Existe varios tipos de motores iónicos en desarrollo: algunos son utilizados, mientras que otros aún no han sido probados en naves espaciales. Algunos de los tipos son:

• Propulsor coloidal
• Propulsor iónico electrostático
• FEEP
• Propulsor a efecto Hall (HET).
• Propulsor helicoidal de doble capa (HDLT).
• Propulsor inductivo pulsante (PIT).
• Propulsor magnetoplasmadinámico (MPD).
• Motor de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR).

En su diseño más sencillo, un propulsor iónico electrostático, los átomos de argón, mercurio o xenón son ionizados mediante la exposición de electrones provenientes de un cátodo. Los iones son acelerados al pasarlos a través de rejillas cargadas.

También se disparan electrones al haz de iones que sale de las rejillas como iones cargados positivamente que dejan el propulsor. Esto mantiene a la nave espacial y el haz del propulsor eléctricamente neutrales. La aceleración utiliza una masa muy pequeña, con un impulso específico (I_sp) muy alto. En los años setenta y ochenta, la investigación de la propulsión iónica empezó utilizando cesio pero se vio que producía erosión en las rejillas, por lo que se comenzó a utilizar principalmente gases nobles.

Esquema de un motor iónico

Un factor importante es la cantidad de energía o potencia necesaria para hacer funcionar el propulsor, en parte por la ionización de los materiales, pero principalmente para acelerar los iones a velocidades muy altas para que tenga un efecto útil. Las velocidades de salida habituales suelen ser de 30 000 m/s, que es mucho mayor que los 3000 a 4500 m/s que obtiene un cohete convencional. Esto también sirve para reducir la cantidad de propelente necesario.

En los motores iónicos, la mayor parte de la energía se pierde en la salida a velocidades altas y afecta a los niveles de empuje. Como resultado, el empuje total obtenido a partir de cierta cantidad de energía es inversamente proporcional a la velocidad de salida (ya que el consumo de energía por kilogramo de propelente es proporcional a la velocidad de salida al cuadrado, pero el empuje por kilogramo de propelente solo es proporcional a la velocidad de salida, según la ecuación del cohete de Tsiolskovski). Por tanto, aumentar la cantidad de movimiento de la salida de iones diez veces necesitaría gastar cien veces más en energía. En consecuencia, se sacrifica entre el impulso específico y el empuje, siendo ambos inversamente proporcionales a una cierta cantidad de energía.

Un propulsor iónico utilizando un acelerador de partículas puede ser diseñado para alcanzar una velocidad de salida cercana a la velocidad de la luz. Esto le proporcionaría un impulso específico al motor de unos 30 millones de segundos (casi un año), pero daría inevitablemente un empuje insignificante debido al poco flujo de propelente.

La velocidad de salida de los iones cuando son acelerados dentro del campo eléctrico puede ser calculado con la fórmula:

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

Donde ${\displaystyle v_{i}}$ es la velocidad del ion acelerado,
${\displaystyle Q}$ es la carga del ion,
${\displaystyle m_{i}}$ es la masa del ion y
${\displaystyle V}$ es la diferencia de potencial del campo eléctrico.

En la práctica, las fuentes de energía pueden proporcionar algunas decenas de kilovatios, dando un impulso específico de 3000 segundos (30 kN•s/kg), consiguiendo una fuerza muy modesta, del orden de décimas o centésimas de un newton. Los motores de mayores dimensiones necesitan fuentes de energía más grandes. Un propulsor iónico suele acelerar una nave espacial entre 0,000098 m/s² y 0,0098 m/s² (entre un milésima y una cienmilésima parte de la aceleración de la gravedad). La fuerza que ejerce este motor es equivalente a la fuerza que ejerce una hoja de papel sobre la palma de una mano. Esto quiere decir que su velocidad inicial es diminuta pero gracias a que en el espacio no hay fricción, puede llegar a alcanzar grandes velocidades durante un periodo indeterminado de tiempo. Actualmente estos motores se usan en satélites para mantener su órbita.[1]

Debido al empuje bajo, la vida útil del propulsor iónico se convierte en una característica importante. Los propulsores iónicos pueden funcionar durante un período largo para permitir que la pequeña aceleración obtenga una velocidad útil.

En el diseño más sencillo, un propulsor iónico electrostático, los iones a menudo golpean la rejilla, erosionándola y finalmente provocando una avería. Las rejillas de dimensiones reducidas disminuye la posibilidad de estas colisiones accidentales, pero también reduce la cantidad de carga que pueden manejar, reduciendo el empuje.

De todos los propulsores eléctricos, los motores iónicos han sido considerados, de forma comercial y académica, los más apropiados para misiones interplanetarias y maniobras en órbita. Se ha visto a los propulsores iónicos como la mejor solución en misiones que necesiten una diferencia de velocidad muy alta y se disponga de un período largo para conseguirlo.

En 2003, la NASA probó en tierra una nueva versión de su propulsor iónico denominada High Power Electric Propulsion o HiPEP. El propulsor HiPEP difiere de los modelos anteriores en que los iones de xenón son creados utilizando una combinación de energía de microondas y campos magnéticos. La ionización se consigue mediante un proceso llamado resonancia electrón ciclotrón o ECR. En el ECR, se aplica un campo magnético uniforme en la cámara que contiene el gas xenón. Hay presentes una pequeña cantidad de electrones libres en la órbita del gas alrededor de las líneas del campo magnético en una frecuencia fijada, denominada frecuencia de ciclotrón. La radiación de microondas se realiza con la misma frecuencia, suministrando energía a los electrones, que luego ionizan más átomos de xenón mediante colisiones. Este proceso crea de forma muy eficiente un plasma en gases de densidad baja. Se planeó usar el HiPEP en la misión Jupiter Icy Moons Orbiter, pero fue cancelada en 2005.

Se han considerado otros propelente para los motores iónicos. Se ha investigado el uso de fulerenos para este propósito, específicamente el C₆₀ o buckminster-fulereno, debido en parte a su sección transversal de mayor tamaño para el impacto de electrones. Esta propiedad le da mayor eficacia que los diseños basados en xenón de impulso específico menor a 3000 segundos (29 kN•s/kg).

• Three-phase electric arc plasma torches "Star" – Keldysh Research Center official web page
• Propulsión espacial
• Cohete nuclear eléctrico
• EmDrive
• VASIMR
• Propulsor de iones de cuadrícula de doble etapa
• Propulsión por radioisótopo de positrón

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Propulsor iónico.
• «Ion propulsion», artículo en inglés en Glenn Research Center (NASA).
• «Plasma propulsion in space», artículo en inglés en el sitio web AIP (NASA).
• «ElectroHydroDynamic Thrusters (EHDT)», artículo en inglés en el sitio web RM Cybernetics.
• Three-phase electric arc plasma torches "Star" – Keldysh Research Center official web page