Propulsión eléctrica de emisión de campo

Propulsión eléctrica de emisión de campo (FEEP) es un concepto avanzado de propulsión espacial electrostática, una forma de propulsor de iones, que utiliza un metal líquido como propulsor, por lo general cesio, indio o mercurio.

Un dispositivo FEEP consta de un emisor y un electrodo acelerador. Entre ambos se aplica una diferencia de potencial del orden de 10 kV, lo que genera un fuerte campo eléctrico en la punta de la superficie metálica. La interacción de la fuerza eléctrica y la tensión superficial del metal líquido genera inestabilidades superficiales, que dan lugar a conos de Taylor en la superficie líquida. A valores suficientemente altos del campo aplicado, los iones se extraen de la punta del cono mediante la evaporación del campo o mecanismos similares, que luego se aceleran eléctricamente a altas velocidades, generalmente 100 km/s o más. Aunque la velocidad de escape de los iones es alta, su masa es muy baja, lo que resulta en fuerzas de aceleración muy débiles. Su beneficio proviene de fuerzas de aceleración sostenidas durante largos períodos de tiempo.

Debido a su empuje muy bajo (en el rango de micronewton (μN) a milinewton (mN), los propulsores FEEP se utilizan principalmente para el control de actitud de microradianes y micronewtons en naves espaciales, como la nave espacial científica LISA Pathfinder de la ESA/NASA. El propulsor FEEP también estaba programado para su instalación en la nave espacial Gravity Field y Steady-State Ocean Circulation Explorer, pero en su lugar se utilizó el propulsor de iones Gridded. El primer propulsor FEEP operado en el espacio fue el IFM Nano Thruster, puesto en servicio con éxito en la órbita terrestre baja en 2018.

Concepto básico

Propulsión eléctrica por emisión de campo (FEEP) es un método de propulsión electrostática basado en la ionización de campo de un metal líquido y la posterior aceleración de los iones por un fuerte campo eléctrico. Las características afiladas, como las agujas, se utilizan para mejorar y concentrar la fuerza de este campo eléctrico. La aguja está recubierta de metal líquido, lo que maximiza la aceleración de los iones.

FEEP es actualmente objeto de interés en la comunidad científica, debido a sus características únicas: rango de empuje sub-μN a mN, capacidad de encendido/apagado casi instantáneo y capacidad de aceleración de alta resolución (mejor que una parte en 10 ⁴), que permite una modulación de empuje precisa tanto en modo continuo como pulsado. Este sistema de propulsión, actualmente base para misiones científicas a bordo de satélites sin arrastre, también se ha propuesto para el control de actitud y el mantenimiento de la órbita en constelaciones y pequeños satélites comerciales.

Se requiere una fuente de electrones separada para mantener la nave espacial eléctricamente neutra.

Propelentes de metal líquido

Este tipo de propulsor puede acelerar una gran cantidad de aleaciones o metales líquidos diferentes. El mejor rendimiento (en términos de eficiencia de empuje y relación potencia-empuje) se puede obtener utilizando metales alcalinos de alto peso atómico, como cesio (Cs, 133 amu) y rubidio (Rb, 85,5 amu). Estos propulsores tienen un potencial de ionización bajo (3,87 eV para Cs y 4,16 eV para Rb), bajo punto de fusión (28,7 °C para Cs y 38,9 °C para Rb) y muy buenas capacidades de humectación.

Estas características conducen a bajas pérdidas de energía debido a la ionización y el calentamiento y la capacidad de usar fuerzas capilares para fines de alimentación, es decir, no se requieren tanques presurizados ni válvulas. Además, los metales alcalinos tienen la actitud más baja para formar gotitas ionizadas o iones de carga múltiple, lo que conduce a la mejor eficiencia de masa alcanzable. El empuje real se produce agotando un haz que consiste principalmente en átomos de cesio o rubidio ionizados individualmente, producidos por evaporación de campo en la punta del emisor.

Un electrodo acelerador (acelerador) se coloca directamente en frente del emisor. Este electrodo consiste en una placa de metal (generalmente acero inoxidable) donde se mecanizan dos cuchillas afiladas. Cuando se requiere empuje, se genera un fuerte campo eléctrico mediante la aplicación de una diferencia de alto voltaje entre el emisor y el acelerador. Bajo esta condición, la superficie libre del metal líquido entra en un régimen de inestabilidad local, debido a los efectos combinados de la fuerza electrostática y la tensión superficial. Una serie de cúspides sobresalientes, o "conos de Taylor" son así creados. Cuando el campo eléctrico alcanza un valor del orden de 10⁹ V/m, los átomos en la punta de las cúspides se ionizan espontáneamente y el campo eléctrico extrae un chorro de iones, mientras que los electrones son rechazados. en la mayor parte del líquido. Una fuente externa de electrones (neutralizador) proporciona cargas negativas para mantener la neutralidad eléctrica global del conjunto del propulsor.

Emisora de hendidura

Las fuentes de iones de metales líquidos (LMIS) basadas en la ionización de campo o la evaporación de campo se introdujeron a finales de los años 60 y rápidamente se generalizaron como fuentes de iones simples y económicas para una serie de aplicaciones, y en 1972 la Agencia Espacial Europea comenzó el desarrollo de un sistema de propulsión eléctrica basado en el principio de emisión de campo utilizando fuentes de iones metálicos líquidos. El uso de LMIS operado con galio, indio, metales alcalinos o aleaciones también ha sido una práctica estándar en la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) desde la década de 1970.

Si bien existen diferentes configuraciones de emisores de campo, como los tipos de emisores de aguja, capilar y de hendidura, el principio de funcionamiento es el mismo en todos los casos. En el emisor de hendidura, por ejemplo, un propulsor de metal líquido es alimentado por fuerzas capilares a través de un canal estrecho. El emisor consta de dos mitades idénticas hechas de acero inoxidable y sujetas o atornilladas. Una capa de níquel, depositada por pulverización catódica en una de las mitades del emisor, perfila el contorno del canal deseado y determina la altura del canal (también conocida como altura de la rendija, normalmente de 1 a 2 μm) y el ancho del canal (también conocido como longitud de la rendija, que varía desde 1 mm hasta unos 7 cm). El canal termina en la punta del emisor, formado por bordes afilados que se encuentran frente a un electrodo negativo o acelerador, y separados por un pequeño espacio (aproximadamente 0,6 mm) de la punta del emisor. Se aplica un voltaje de extracción entre los dos electrodos. El emisor lleva un potencial positivo mientras que el acelerador tiene un potencial negativo. El campo eléctrico que se genera entre el emisor y el acelerador ahora actúa sobre el propulsor de metal líquido.

El estrecho ancho de la rendija no solo permite la alimentación capilar, sino que, cuando se combina con los bordes afilados del canal directamente opuestos al acelerador, también asegura que se obtenga una alta intensidad de campo eléctrico cerca de la salida de la rendija. La columna de metal líquido, cuando se somete a este campo eléctrico, comienza a deformarse, formando cúspides (conos de Taylor), que sobresalen de la superficie del líquido. A medida que las cúspides de líquido forman conos cada vez más afilados debido a la acción del campo eléctrico, la intensidad del campo eléctrico local cerca de estas cúspides se intensifica. Una vez que se alcanza una fuerza de campo eléctrico local de alrededor de 10⁹ V/m, los electrones son arrancados de los átomos metálicos. Estos electrones son recolectados a través de la columna de metal líquido por las paredes del canal, y los iones positivos son acelerados fuera del líquido a través de un espacio en el electrodo acelerador negativo por el mismo campo eléctrico que los creó.

Los emisores de hendidura se desarrollaron para aumentar el área de emisión del propulsor a fin de producir niveles de empuje más altos y evitar el comportamiento irregular observado para los emisores individuales. La ventaja sustancial de los emisores de hendidura sobre las agujas apiladas está en el mecanismo de autoajuste que gobierna la formación y redistribución de los sitios de emisión en la superficie del metal líquido de acuerdo con los parámetros operativos; en un arreglo de agujas apiladas, por el contrario, los conos de Taylor solo pueden existir en las puntas fijas, que preconfiguran un arreglo geométrico que solo puede ser consistente con una condición de operación particular.

Otros diseños

Se han fabricado emisores de hendidura con una amplia variedad de anchos de hendidura; actualmente, están disponibles dispositivos con anchos de hendidura entre 2 mm y 7 cm. Estos dispositivos, que abarcan un rango de empuje de 0,1 μN a 2 mN, funcionan con cesio o rubidio.

El diseño del módulo miniaturizado FEEP con un emisor en forma de corona para encajar en el chasis estándar de CubeSat se informó en 2017.

El diseño de FEEP de un solo emisor de 0,5 mN está disponible comercialmente, y el desarrollo de su versión en matriz está a punto de finalizar como en 2018.