Fig. 1: Imagen representacional de propulsión eléctrica

Los humanos podemos caminar por la tierra en ausencia de automóviles, podemos nadar en el agua sin barcos, pero sin aviones y cohetes no podemos volar. Dejar el suelo desafía la atracción gravitacional de la Tierra y, por lo tanto, requiere una cierta cantidad de trabajo que un cuerpo debe realizar para impulsarlo hacia adelante. Esta fuerza impulsora se conoce como "impulso". Si consideramos un cohete, por ejemplo, cuando despega se producen reacciones químicas en su cámara de combustión, produciendo grandes cantidades de energía atrapada que explota a gran velocidad a través de una boquilla y ejerce fuerza sobre la atmósfera. La atmósfera reacciona según la tercera ley de Newton para empujar el cohete hacia arriba. La exploración espacial en el siglo XX era más un asunto gubernamental, mientras que en el siglo ^XXI se observa una creciente participación del sector privado a medida que surgen innovaciones en el sector aeroespacial de empresas como SpaceX, Boeing, Virgin Galactic, The Spaceship Company (TSC), etc. optó como un frente viable para la investigación abierta. Hay muchas razones para unos costes tan elevados, como miles de toneladas de combustible, sistemas electrónicos y de control de última generación, una fabricación precisa de piezas grandes y la imposibilidad de reutilizar los vehículos de lanzamiento. En este artículo analizamos una tecnología que bien podría sustituir a la propulsión química convencional de cohetes y en qué aspectos es mejor y en qué le falta a su competencia.

Vista previa: propulsión de cohetes

Entonces, ¿qué es exactamente el término propulsión? Inmediatamente imaginamos una gran nube de gases de escape saliendo de un cohete, pero ¿por qué necesitamos ese impulso? La respuesta es: lograr aceleración. La aceleración se puede utilizar para mover un cuerpo desde el reposo, cambiar la velocidad de un cuerpo o superar diversas fuerzas de arrastre (retraso). La propulsión de cohetes es una subcategoría de la propulsión a chorro en la que la propulsión se logra expulsando una masa almacenada (propulsor) a altas velocidades.

Convencionalmente, la propulsión de cohetes se logra mediante combustión química. En estos sistemas químicos de propulsión de cohetes, hay dos tanques separados que contienen el combustible y el oxidante. Estos se introducen en una cámara de combustión a altas presiones. A esta alta presión, la mezcla se enciende y calienta el gas a temperaturas extremadamente altas, lo que hace que el gas se expanda. Éste pasa a través de una boquilla donde toda esta energía de presión se convierte en energía cinética, lo que hace que salga a velocidades extremadamente altas (hasta 5.000 metros/seg). Los sistemas de propulsión química se clasifican en motores de propulsión de cohetes químicos de propulsor sólido, propulsión de cohetes químicos de propulsor líquido y motores de cohetes híbridos. Los motores de cohetes sólidos son el sistema más primitivo en el que se enciende un cilindro hueco de combustible sólido para calentar y expandir el gas en la región hueca (similar a los cohetes utilizados en los fuegos artificiales). El sistema de propulsión de cohetes más complicado y avanzado es el sistema de propulsión de cohetes líquidos, donde las formas líquidas de combustible y oxidantes son controladas por motores, al controlar la potencia, se controla la velocidad de combustión, lo que nos da control del empuje. El motor de cohete híbrido es una combinación de sistema sólido y líquido donde se utilizan un oxidante líquido y un combustible sólido.

Fig. 2: Imagen esquemática del motor de cohete líquido.

Figura 3: Imagen esquemática del motor de cohete sólido

Aunque los sistemas de propulsión química son conocidos por producir grandes cantidades de empuje, se agotan rápidamente. Por tanto, para llevar a cabo una misión requerida se consume mucho combustible (miles de toneladas). Aquí es donde entra en juego el concepto de propulsión eléctrica, que reduce en gran medida el consumo relativo de propulsor, al tiempo que proporciona altas velocidades de escape.

Introducción

Propulsión eléctrica – Introducción

Fig. 4: Globo de plasma

Figura 5: Sol

Primero necesitamos entender un concepto llamado impulso específico (i _sp ). Es el empuje total por unidad de peso del propulsor. Está directamente relacionado con la eficiencia del propulsor. Puede considerarse sinónimo del kilometraje de un coche. Si menos peso puede proporcionar más empuje en un momento dado (impulso específico alto), entonces se consumirá menos combustible. En la propulsión química, intentamos extraer la energía interna de un propulsor mediante la combustión y la rotura de enlaces (que en su mayoría son limitados o no se extraen por completo). Pero ¿qué pasaría si pudiéramos tomar un propulsor y proporcionar energía externa sin límite teórico? Cuanto mayor sea el contenido de energía, más trabajo se puede realizar. Este es el objetivo básico de la propulsión eléctrica.

La propulsión eléctrica, como su nombre indica, utiliza energía eléctrica (fuente externa) para calentar y expulsar el propulsor. Además, cuando un gas se coloca en un campo eléctrico fuerte, sus elementos positivos y negativos se dividen creando un conjunto de cargas (donde la carga positiva es igual a la carga negativa). Este nuevo estado físico del gas se llama 'Plasma' y el proceso se llama 'Ionización'. Es fluido como un gas, pero reacciona a campos eléctricos y magnéticos (ya que contiene partículas cargadas) y puede ser manipulado por estos campos. Así, el plasma generado por el campo eléctrico se acelera a través de un campo magnético y se expulsa a velocidades extremadamente altas (hasta 100.000 m/s). Cuanto mayor es la energía eléctrica suministrada, mayor es la densidad de corriente, lo que provoca un campo magnético más intenso y, por tanto, una velocidad de escape más rápida. El concepto de propulsión eléctrica fue concebido por primera vez por el padre de la Propulsión Líquida, “Robert Goddard” en 1906 en Estados Unidos, aunque su desarrollo se inició a finales del siglo XIX. ^siglo por la NASA y la ESA. Hoy en día, se están investigando conceptos avanzados de propulsores de plasma para permitir misiones al espacio profundo.

El propulsor de plasma

Ahora que hemos analizado la ciencia detrás de la propulsión eléctrica, profundicemos en la parte de ingeniería del diseño de un propulsor de plasma básico. La aplicación de este principio en la fabricación de un producto tangible se puede realizar de más de una forma. Pero lo que todo sistema requiere son estos cuatro subsistemas básicos.

1. Una fuente de energía (energía solar, energía nuclear o materia exótica)

2. Un sistema de conversión (para convertir la energía de la fuente en energía eléctrica)

3. Un sistema de propulsor (para almacenar, medir y entregar propulsor)

4. Un dispositivo de propulsión (donde la energía eléctrica se convierte en energía cinética)

La selección del propulsor es muy importante. Debe ser un gas inerte para no reaccionar con la atmósfera de la boquilla. Preferiblemente debería ser monoatómico ya que se requiere energía adicional para romper el enlace intermolecular. Los propulsores más comunes utilizados en los propulsores eléctricos son argón, neón, xenón, helio, etc.

Los propulsores de plasma se pueden distinguir según el método mediante el cual se acelera el plasma en electrotérmicos, electrostáticos y electromagnéticos. El método electrotérmico consiste en calentar el gas a través de calentadores electroresistivos y provoca expansión termodinámica (Resistojets). El método electrostático consiste en acelerar el plasma mediante la interacción de campos electrostáticos. El método electromagnético consiste en acelerar el gas mediante la interacción del campo eléctrico y magnético generado por el plasma. Los tipos más comunes de propulsores que se ven son MPDT (Propulsores dinámicos de plasma magnético), Propulsores Hall, Propulsores Helicon, Resistojets y Propulsores de iones. Veamos la construcción de uno de ellos, el MPDT.

Fig. 6: Imagen que muestra el propulsor MPD

Figura 7: Imagen del propulsor Hall

Propulsor dinámico de plasma magneto (MPDT)

Figura 8: Diagrama del modelo de boquilla MPDT

MPDT es un tipo de propulsor electromagnético que consta de un diseño de electrodo coaxial. El cátodo descansa dentro de un ánodo hueco. El ánodo y el cátodo se fijan mediante un material aislante para garantizar que no haya contacto eléctrico. El gas propulsor se introduce antes de la tobera y se conduce a través de la abertura del electrodo. La energía eléctrica normalmente se almacena en un banco de condensadores. El larguero se crea entre los electrodos mediante un circuito de encendido similar al utilizado en una bobina de Tesla y lo mantiene el banco de condensadores para que el voltaje sea suficiente para mantener un estado de plasma (llamado potencial de ruptura). Los electrones fluyen en dirección radial desde el cátodo al ánodo, creando simultáneamente un campo magnético según la regla de la mano derecha. El campo magnético acelera el plasma aguas abajo, creando empuje. Esto se llama impulso de campo propio. Si se aplica un campo magnético externo para estabilizar el flujo de escape, se denomina propulsor de campo aplicado. El plasma alcanza temperaturas extremadamente altas (6.000 a 10.000 Kelvin). Para soportar esta temperatura se debe utilizar como cátodo un material con un alto punto de fusión (como el tungsteno), ya que también es conductor. El ánodo puede ser más grueso para mejorar la disipación del calor y se debe utilizar un elemento altamente electropositivo (como el cobre). Las eficiencias de los MPDT pueden alcanzar hasta el 55% y las magnitudes de impulso específicas pueden ser 10 veces mayores que las de los cohetes químicos.

Figura 9: Diagrama transversal del modelo de boquilla MPDT

Conclusión

El plasma es el estado de materia más abundante que se encuentra en el universo y puede manipularse de muchas maneras. Incluso en la Tierra asistimos a plasmas en forma de relámpagos, auroras, incluso pequeñas chispas cuando no se coloca correctamente un enchufe en una toma de corriente, etc. Es un estado de la materia conocido por su abundancia de energía y por tanto tiene sentido utilizarlo. para aplicaciones de alta potencia.

La propulsión en presencia de atmósfera y en el vacío son conceptos bastante diferentes. Cuando la atmósfera está presente, el empuje se obtiene por el par acción-reacción de la fuerza que aplica el escape sobre ella y, por tanto, aquí se requieren valores de empuje más elevados. Pero en el vacío no hay atmósfera. Aquí el empuje se logra mediante la conservación del impulso a medida que el impulso cambiante del propulsor impulsa la carga útil hacia adelante y, por lo tanto, aquí se requieren velocidades de escape más altas. Por tanto, tiene sentido utilizar propulsores eléctricos en el vacío.

El impacto del impulso específico: dado que una unidad de peso de propulsor puede proporcionar más energía durante un período de tiempo en el propulsor eléctrico en comparación con el cohete químico, se necesitaría menos combustible para realizar la tarea. Por ejemplo, consideremos una misión de encuentro con un asteroide para transportar una carga útil de 500 kg. Un propulsor químico con una velocidad de escape de 3000 m/s y I _sp de 306 segundos requerirá 2150 kg de propulsor. Por otro lado, un propulsor eléctrico con una velocidad de escape de 30.000 m/s y un I _sp de 3.060 segundos requeriría sólo 90 kg de propulsor.

La investigación es intensa en el departamento de propulsión eléctrica. Es un concepto futurista y muy pronto podría ingresar a un mercado más grande. Recientemente, los investigadores desarrollaron un motor que puede producir empuje sin ningún propulsor, utilizando plasma cuántico. Los motores más actuales incluyen Propulsores de Microondas que no requieren electrodos para generar plasma. El motor eléctrico más popular actualmente es el VASIMR (cohete de magnetoplasma de impulso específico variable), que utiliza acopladores de RF (radiofrecuencia) para generar y calentar plasma de acuerdo con el empuje requerido y los parámetros de empuje específicos de la misión. Puede adaptarse a la misión en cuestión y proporcionar una vida útil y confiabilidad más largas que otros propulsores. Pueden funcionar con paneles solares o energía nuclear. Estas tecnologías nos darán acceso a mayores profundidades de nuestro sistema solar y eliminarán la necesidad de mecanismos complicados para almacenar y entregar propulsor en el caso de cohetes químicos. La propulsión eléctrica tiene la capacidad de ver a los humanos progresar hacia una civilización de cruce interestelar en un futuro lejano (donde la ciencia alcanzará a la ciencia ficción).

Figura 10: Imagen que muestra el esquema del mecanismo VASIMR