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Propulsión iónica para naves espaciales

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2018-07-02

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La propulsión iónica es una tecnología que busca lograr empuje con altas velocidades de expulsión del propelente en un motor cohete con el objeto de reducir la cantidad de propelente que se requiere para una misión o aplicación espacial determinada en comparación con otros métodos convencionales de propulsión como la propulsión química.

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Aunque la propulsión iónica se concibió desde hace más de 100 años, solo hasta recientemente es una realidad. En la actualidad, cientos de impulsores iónicos operan con éxito en satélites de comunicaciones para ajustar su órbita y cada vez más este tipo de propulsión se utiliza como fuente de propulsión primaria para misiones de espacio profundo, por lo que se puede decir que la propulsión iónica es ahora la tecnología del presente.

 

Para comprender las ventajas de la propulsión iónica, consideremos un tipo de propulsión más convencional: La propulsión química. En la propulsión química la máxima velocidad de expulsión del propelente está limitada por la energía interna que se libera en la reacción química en donde se combinan el combustible y el oxidante. En los cohetes químicos, la velocidad máxima que puede alcanzar el propelente es del orden de 4.5 km/seg. Por lo tanto es deseable encontrar un tipo de propulsión en la que no exista esta limitación y que permita inyectar energía externa al propelente para que alcance velocidades de expulsión más elevadas.

 

Propulsión iónica

 

En vez de expulsar gases calientes, los propulsores iónicos expulsan iones, es decir átomos cargados eléctricamente que eventualmente son acelerados por campos eléctricos o magnéticos. Al utilizar energía externa al propelente para acelerarlo, la máxima velocidad de expulsión del propelente está limitada únicamente por la rapidez con la que se le añade energía al propelente. Esto ha dado como resultado que los propulsores iónicos actuales alcancen velocidades de expulsión un orden de magnitud mayor que en el caso de la propulsión química.

 

¿Cómo funciona?

 

En un propulsor iónico, el propelente, usualmente un gas, se inyecta en una cámara en donde sus átomos son ionizados para formar un plasma. La ionización se logra a partir de arrojar electrones que al impactar con los átomos del propelente les arrebatan otros electrones y los cargan positivamente. Estos iones positivos son acelerados por un campo eléctrico que los expulsa al exterior y con esto se genera empuje.

 

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Tipos de impulsores iónicos

 

Existen varios tipos de impulsores iónicos, pero los dos más utilizados son el impulsor de iones a través de rejillas y el impulsor de efecto Hall.

 

Impulsor de iones a través de rejillas

 

Los impulsores de iones a través de rejillas, también conocidos como impulsores de extracción electrostática, inyectan propelente a una cámara en donde éste se ioniza a partir de los choques que reciben sus átomos por electrones lanzados por un cañón de electrones. Los iones positivos son acelerados por un par de rejillas cargadas eléctricamente colocadas a la salida de la cámara y salen a gran velocidad a través de sus orificios. Una vez que los iones han salido del impulsor, un cátodo emite electrones para neutralizar a las partículas cargadas, evitando que la nave adquiera carga eléctrica y los iones se regresen. En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de un impulsor iónico de rejillas y en la Fig. 2 una fotografía de un impulsor real en operación.

 

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Fig 1. Diagrama esquemático de un impulsor iónico de rejillas

 

Fig. 2 Fotografía de un impulsor iónico de rejillas en operación. Cortesía NASA.

 

Impulsores por efecto Hall

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Los impulsores de efecto Hall utilizan campos eléctricos y magnéticos para crear un plasma y expulsar los iones a alta velocidad para generar empuje.

 

Un impulsor por efecto Hall funciona con un principio similar al impulsor de extracción electrostática de iones. Sin embargo, en lugar de usar rejillas cargadas eléctricamente para acelerar los iones, un campo magnético captura electrones que emanan de un cátodo externo a la cámara de ionización. En los impulsores por efecto Hall, los electrones salen del cátodo externo y son atraídos por el ánodo con carga positiva en la base de la cámara de ionización. Antes de alcanzar el ánodo, los electrones se encuentran con un campo magnético radial a la cámara, perpendicular al campo eléctrico, lo que provoca que desvíen su trayectoria de acuerdo a un fenómeno conocido como el Efecto Hall y que hace que formen una nube que gira alrededor del centro de la salida de la cámara. Esta nube de electrones sirve para ionizar a los átomos de propelente y una vez cargados eléctricamente son expulsados por efecto del campo eléctrico que existe en la cámara. En la Fig. 3 se muestra un diagrama esquemático de un impulsor por efecto Hall y en la Fig. 4 una fotografía de un impulsor real en operación.




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Fig 3. Diagrama esquemático de un impulsor por efecto Hall

 

Los impulsores Hall son dispositivos relativamente sencillos, sin embargo su funcionamiento depende de una física mucho más complicada que la de los impulsores de iones para producir empuje.

 

La eficiencia y el impulso específico de los impulsores por efecto Hall son típicamente menores que las que se pueden lograr en los impulsores de extracción electrostática, pero la relación empuje-potencia es más alta y el dispositivo requiere menos fuentes de alimentación para operar. La vida útil de los impulsores por efecto Hall suele ser más corta que los impulsores de extracción electrostática (en el orden de 10,000 horas), pero su eficiencia es generalmente más alta que éstos últimos.

 

Fig. 4. Fotografía de un impulsor de efecto Hall en operación. Cortesía NASA.

 

Propelente

 

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Los impulsores iónicos pueden utilizar en teoría cualquier átomo capaz de ser ionizado para acelerarlo y, aunque algunos materiales como el Cesio y el Mercurio, se han investigado en el pasado, el Xenon es el propelente preferido para los impulsores iónicos, ya que, a pesar de su alto costo, tiene propiedades que lo hacen superior respecto a otras sustancias. En primer lugar, el Xenón es un gas noble por lo que no forma compuestos como otros elementos. Esto hace que no interaccione químicamente con los materiales del impulsor y por lo tanto no los degrade. Además, el Xenón no es peligroso de manejar, no se condensa en los componentes de la nave espacial, su gran masa atómica en comparación con otros gases inertes genera mayor empuje para una potencia de entrada dada y su relativa alta densidad hace que requiera menos volumen de almacenamiento que otros gases. A su vez, en comparación con otros gases nobles, el Xenón requiere menos energía de ionización que los gases nobles más livianos.


 

Llegaron para quedarse

 

Una desventaja de los impulsores iónicos es su bajo empuje. Los impulsores iónicos actuales pueden proporcionar sólo 0.5 newtons (unos 48 gramos fuerza) de empuje, lo que es aproximadamente equivalente a la fuerza que se siente al mantener 10 monedas de un peso en la mano. Estos impulsores se deben usar en el vacío para operar a los niveles de potencia disponibles y no se pueden usar para colocar una nave espacial en el espacio porque se necesitan grandes cantidades de empuje para escapar de la gravedad y la atmósfera de la Tierra. Por esta razón, los impulsores iónicos no son adecuados para su uso en la Tierra. En su lugar, deben usarse en el espacio, donde su capacidad para mantener un empuje bajo durante largos períodos como semanas, meses o tal vez años permiten alcanzar mayores velocidades que las que proporcionan los cohetes químicos.

 

La propulsión iónica se ha utilizado con éxito desde hace unos años para mantener la órbita de los satélites geoestacionarios. Actualmente hay más de 200 satélites que utilizan impulsores de muy poco empuje con propulsión iónica. Un ejemplo de impulsor iónico que se usa para mantener la órbita de satélites geoestacionarios es el XIPS (Xenon Ion Propulsion System), un impulsor de rejillas fabricado por la empresa L3. En la Fig. 5 se muestra una fotografía de dos modelos: el de 25 cm y el de 13 cm, cuyas especificaciones técnicas se muestran en la Tabla 1.

Fig 5. Impulsores iónicos XIPS

 

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Modelo

Herren Palmeston S Top 4446 Track Originals Schwarzweiß Jacke Adidas XPFq5wX

13 cm

25 cm

Potencia de entrada al impulsor (W)

450

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2,000

Eficiencia del impulsor (%)

48

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69

Impulso específico (seg)

2,390

3,400

Empuje mN

18

79

Gasto másico de propelente (mg/seg)

0.71

2.36

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Prueba de aceptación de temperatura (C)

-100 a +162

-40 a +183

Peso (kg)

6.2

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Tabla 1. Especificaciones técnicas de dos impulsores iónicos XIPS.

 

Conforme se mejora la tecnología, la propulsión iónica aumentará como propulsión primaria en aplicaciones científicas en el espacio profundo. Hay muchos lanzamientos planificados de misiones científicas que utilizarán impulsores de iones y por efecto Hall, por lo que en los próximos años veremos una mayor utilización de la propulsión iónica en el espacio.

 

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Para los lectores más técnicos, aquí se presenta una explicación del porqué la velocidad de escape del propelente define la eficiencia del sistema de propulsión.

 

Consideremos un cohete con una masa inicial minicial y que expulsa una determinada cantidad de propelente mprop. Después de que se expulsa el propelente, la masa del cohete está dada por  mfinal= minicial - mprop

 

El cambio de velocidad que experimenta el cohete al expulsar una determinada cantidad de combustible está dado por la ecuación de Tsiolkovsky:

 

Delta v= vprop ln (minicial/mfinal)

 

Lo cual se puede escribir como:

 

Delta v= vprop ln (1 + mprop/mfinal)

 

Por lo que, para una cantidad dada de propelente empleado, el cambio de velocidad Delta v es proporcional a la velocidad con la que el cohete expulsa el propelente. Por lo tanto, vprop representa una medida de la eficiencia del proceso de propulsión: A mayor velocidad de expulsión del propelente se requiere menor masa de propelente para obtener un cambio de velocidad dado. Este resultado nos dice que es deseable tener la capacidad de expulsar el propelente a la mayor velocidad posible.

 



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