Propulsor iònic

Propulsor iònic

Un propulsor iònic o motor iònic és un tipo de propulsió espacial que utilisa un fes d'ionés (molèculas o àtoms en càrrega elèctrica) per a la propulsió. El método precís per a accelerar els ions pot variar, pero tots els dissenys usen la ventaja de la relació carrega-massa dels ions per a accelerar-los a velocitats molt altes utilisant un camp elèctric. Gràcies a açò, els propulsors iònics poden alcançar un impuls específic alt, reduint la cantitat de massa necessària, pero incrementant la cantitat de potència necessària comparada en els eixidas convencionals. Els motors iònics poden alcançar una eficàcia de combustible un orde de magnitut major que els motors d'eixida de combustible líquit, pero restringits a #acceleració molt baixes per la relació potencia-massa dels sistemes disponibles.

El principi del propulsor iònic data dels conceptes desenrollats pel físic Hermann Oberth i la seua obra publicada en 1929, Die Rakete zu donen Planetenräumen. El primer tipo de motor iònic, conegut com a propulsor iònic de tipo Kaufman, es va desenrollar en els anys 1960 per Harold R. Kaufman, treballant per a la NASA i basats en el Duoplasmatrón.

Tipos

Existix varis tipos de motors iònics en desenroll: alguns són utilisats, mentres que uns atres encara no han segut provats en naus espacials. Alguns dels tipos són:

• Propulsor coloidal
• Propulsor iònic electrostàtic
• FEEP
• Propulsor a efecte Hall (HET).
• Propulsor helicoidal de doble capa (HDLT).
• Propulsor inductivo pulsante (PIT).
• Propulsor magnetoplasmadinámico (MPD).
• Motor de magnetoplasma d'impuls específic variable (VASIMR).

Disseny general

En el seu disseny més senzill, un propulsor iònic electrostàtic, els àtoms d'argón, mercuri o xenón són ionizados per mig de l'exposició d'electrons provinents d'un càtodo. Els ions són accelerats en passar-los a través de reixetes carregades.

També es disparen electrons al fes de ions que ix de les reixetes com a ions carregats positivament que deixen el propulsor. Açò manté a la nau espacial i el fes del propulsor eléctricamente neutrals. L'acceleració utilisa una massa molt menuda, en un impuls específic (I_sp) molt alt. En els anys setanta i huitanta, l'investigació de la propulsió iònica va escomençar utilisant cesi pero es va vore que produïa erosió en les reixetes, per lo que es va començar a utilisar principalment gasos nobles.

Energia utilisada

Un factor important és la cantitat d'energia o potència necessària per a fer funcionar el propulsor, en part per l'ionisació dels materials, pero principalment per a accelerar els ions a velocitats molt altes per a que tinga un efecte útil. Les velocitats d'eixida habituals solen ser de 30 000 m/s, que és molt major que els 3000 a 4500 m/s que obté una eixida convencional. Açò també servix per a reduir la cantitat de propelente necessari.

En els motors iònics, la major part de l'energia es pert en l'eixida a velocitats altes i afecta als nivells d'espente. Com a resultat, l'espente total obtingut a partir de certa cantitat d'energia és inversamente proporcional a la velocitat d'eixida (ya que el consum d'energia per quilogram de propelente és proporcional a la velocitat d'eixida al quadrat, pero l'espente per quilogram de propelente solament és proporcional a la velocitat d'eixida, segons l'equació de l'eixida de Tsiolskovski). Per tant, aumentar la cantitat de moviment de l'eixida de ions dèu voltes necessitaria gastar cent voltes més en energia. En conseqüència, se sacrifica entre l'impuls específic i l'espente, sent abdós inversamente proporcionals a una certa cantitat d'energia.

Un propulsor iònic utilisant un accelerador de partícules pot ser dissenyat per a alcançar una velocitat d'eixida propenca a la velocitat de la llum. Açò li proporcionaria un impuls específic al motor d'uns 30 millons de segons (casi un any), pero donaria inevitablement un espente insignificant pel poc fluix de propelente.

La velocitat d'eixida dels ions quan són accelerats dins del camp elèctric pot ser calculat en la fòrmula:

$v_i=\sqrt{\frac{2VQ}{m_i}}$

A on $v_i$ és la velocitat del ion accelerat,
$Q$ és la càrrega del ion,
$m_i$ és la massa del ion i
$V$ és la diferència de potencial del camp elèctric.

Espente

En la pràctica, les fonts d'energia poden proporcionar algunes decenes de quilovats, donant un impuls específic de 3000 segons (30 kN•s/kg), conseguint una força molt modesta, de l'orde de dècimes o centèsimes d'un newton. Els motors de majors dimensions necessiten fonts d'energia més grans. Un propulsor iònic sol accelerar una nau espacial entre 0,000098 m/s² i 0,0098 m/s² (entre un milèsima i una cienmilésima part de l'acceleració de la gravetat). La força que eixercix este motor és equivalent a la força que eixercix un full de paper sobre la palma d'una mà. Açò vol dir que la seua velocitat inicial és diminuta pero gràcies a que en l'espai no hi ha fricció, pot aplegar a alcançar grans velocitats durant un periodo indeterminat de temps. Actualment estos motors s'usen en satèlits per a mantindre la seua òrbita.

Vida útil

Per l'espente baix, la vida útil del propulsor iònic es convertix en una característica important. Els propulsors iònics poden funcionar durant un periodo llarc per a permetre que la chicoteta acceleració obtinga una velocitat útil.

En el disseny més senzill, un propulsor iònic electrostàtic, els ions a sovint colpegen la reixeta, erosionant-la i finalment provocant una averia. Les reixetes de dimensions reduïdes disminuïx la possibilitat d'estes colisions accidentals, pero també reduïx la cantitat de càrrega que poden manejar, reduint l'espente.

Missions

De tots els propulsors elèctrics, els motors iònics han segut considerats, de forma comercial i acadèmica, els més apropiats per a missions interplanetàries i maniobres en òrbita. S'ha vist els propulsors iònics com la millor solució en missions que necessiten una diferència de velocitat molt alta i es disponga d'un periodo llarc per a conseguir-ho.

SERT

La primera nau espacial que va utilisar esta tecnologia va ser la SERT I, fabricada en el Space Electric Rocket Test, i llançada el 20 de juliol de 1964, seguida de la SERT II, llançada el 3 de febrer de 1970.

Deep Space 1

La NASA va desenrollar un propulsor iònic denominat NSTAR per a utilisar-ho en missions interplanetarias. El propulsor es va provar en la sonda espacial Deep Space 1, llançada en 1998. Hughes havia desenrollat el Sistema de Propulsió Iònica de Xenón o XIPS per a mantindre en òrbita als satèlits geoestacionarios.

SMART 1

Durant décades, l'Unió Soviètica va utilisar un propulsor d'efecte Hall per a mantindre l'òrbita en la seua estació espacial MIR.

l'Agència Espacial Europea va utilisar el mateix tipo en el seu sonda SMART-1, llançada en 2003. La sonda va completar la seua missió el 3 de setembre de 2006 en una colisió controlada en la superfície de la Lluna.

Artemis

El 12 de juliol de 2001, l'Agència Espacial Europea va fracassar en el llançament del satèlit de comunicacions Artemis, no alcançant l'òrbita requerida. El suministrament de propelente del satèlit era suficient per a transferir-ho a una òrbita semiestable i durant els següents 18 mesos es va utilisar el sistema de propulsió iònica per a la seua transferència a una òrbita geostacionaria.

Hayabusa

La sonda Hayabusa de l'Agència Japonesa d'Exploració Aeroespacial, que es va llançar en 2003 i es va acostar en èxit a l'asteroide (25143) Itokawa, va permanéixer en els seus voltants durant alguns mesos per a la recollida de mostres i informació, estant propulsada per quatre motors iònics de xenón. La sonda dispon d'una reixeta de material compost que és resistent a l'erosió.

Dawn

La sonda Dawn va ser llançada el 27 de setembre de 2007 per a explorar l'asteroide Vesta (al que va aplegar el divendres 15 de juliol de 2011) i el planeta nano Ceres (al que va aplegar en abril del 2015, despuix de partir de Vesta en el 2012). Per a alcançar els seus objectius va utilisar tres motors iònics hereus del motor de la Deep Space 1, realisant un recorregut en forma d'espiral. La sonda va terminar la seua missió l'1 de novembre de 2018, segons comunicat de l'JPL.

GOGE

El 17 de març de 2009 l'Agència Espacial Europea va llançar la seua satèlit Explorador de la Circulació Oceànica i del camp Gravitatoro o GOGE (de les seues sigles en anglés Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) que utilisa un propulsor de ions per a contrarrestar els efectes del rozamiento en l'atmòsfera causats per la baixa altura de la seua òrbita.

AEHF-1

El satèlit militar nortamericà AEHF-1, llançat en 2010, ampra ―de la mateixa manera que el satèlit europeu Artemis― propulsió iònica per a mantindre's en òrbita terrestre, a través d'un propulsor d'efecte Hall.

DART

El 24 de novembre de 2021 va ser llançada la sonda DART com una missió espacial de la NASA destinada a provar un método de defensa planetària contra objectes pròxims a la Terra (NEO). De manera delliberada, estrelarà una sonda espacial contra l'asteroide binario 65803 Didymos per a provar si l'energia cinètica de l'impacte d'una nau espacial podria desviar en èxit un asteroide en curs de colisió en la Terra. La sonda també incorpora un motor iònic NEXT-C (NASA Evolutionary Xenon Thruster–Commercial), desenrollat pel centre Glenn de la NASA, per a reduir el temps de vol. És la primera volta que s'usa este motor alvançat, en un espente variable d'entre 25 i 235 milinewton.

Desenroll

En 2003, la NASA va provar en terra una nova versió del seu propulsor iònic denominada High Power Electric Propulsion o HiPEP. El propulsor HiPEP diferix dels models anteriors que els ions de xenón són creats utilisant una combinació d'energia de microones i camps magnètics. L'ionisació es conseguix per mig d'un procés cridat resonància electró ciclotrón o ECR. En el ECR, s'aplica un camp magnètic uniforme en la cambra que conté el gas xenón. Hi ha presents una chicoteta cantitat d'electrons lliures en l'òrbita del gas al voltant de les llínees del camp magnètic en una freqüència fixada, denominada freqüència de ciclotrón. La radiació de microones es realisa en la mateixa freqüència, suministrant energia als electrons, que després ionizan més àtoms de xenón per mig de colisions. Este procés crea de forma molt eficient un plasma en gasos de densitat baixa. Es va planejar usar el HiPEP en la missió Jupiter Icy Moons Orbiter, pero va ser cancelada en 2005.

S'han considerat uns atres propelente per als motors iònics. S'ha investigat l'us de fulerenos per a este propòsit, específicament el C₆₀ o buckminster-fulereno, degut en part a la seua secció travessera de major tamany per a l'impacte d'electrons. Esta propietat li dona major eficàcia que els dissenys basats en xenón d'impuls específic menor a 3000 segons (29 kN•s/kg).

Comparació de l'impuls específic de distintes tecnologies

Impuls específic de vàries tecnologies de propulsió

Motor	Velocitat d'escape efectiva (m/s)	Impuls específic (s)	Escape de la energia específica (MJ/kg)
Turbofan motor a reacció (actual V és 300 m/s)	29 000	3000	0.05
Transbordador Espacial Eixida Acceleradora Sòlida	2500	250	3
Oxigen líquit-hidrogen líquit	4400	450	9.7
Propulsor iònic	29 000	3000	430
VASIMR	30 000-120 000	3000-12.000	1400
Propulsor de ions de cuadrícula de doble etapa	210 000	21 400	22 500

Vore també

• Three-phase electric arc plasma torches "Star" – Keldysh Research Center official web page
• Propulsió espacial
• Propulsió per fusió
• Eixida nuclear elèctrica
• EmDrive
• VASIMR
• Propulsor de ions de cuadrícula de doble etapa
• Propulsió per radioisòtop de positrón

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Propulsor iònic.
• «Ion propulsion», artícul en anglés en Glenn Research Center (NASA).
• «Plasma propulsion in space», artícul en anglés en el lloc web AIP (NASA).
• «ElectroHydroDynamic Thrusters (EHDT)», artícul en anglés en el lloc web RM Cybernetics.
• Three-phase electric arc plasma torches "Star" – Keldysh Research Center official web page