Propulsor de iones

El 2.3kW NSTAR impulsor de iones desarrollado por la NASA para la nave espacial Deep Space 1 durante una prueba de fuego caliente en el Laboratorio de Propulsión Jet.

Prueba del motor ion (2005)

Un prototipo de un motor xenón ion siendo probado en el Laboratorio de Propulsión Jet de la NASA

Un propulsor de iones, accionamiento de iones o motor de iones es una forma de propulsión eléctrica utilizada para la propulsión de naves espaciales. Crea empuje acelerando iones usando electricidad.

Un propulsor de iones ioniza un gas neutro extrayendo algunos electrones de los átomos, creando una nube de iones positivos.

Los propulsores de iones se clasifican como electrostáticos o electromagnéticos.

Los iones propulsores electrostáticos son acelerados por la fuerza de Coulomb a lo largo de la dirección del campo eléctrico. Los electrones almacenados temporalmente son reinyectados por un neutralizador en la nube de iones después de haber pasado a través de la rejilla electrostática, por lo que el gas vuelve a ser neutral y puede dispersarse libremente en el espacio sin más interacción eléctrica con el propulsor.

Por el contrario, los iones de impulsor electromagnético son acelerados por la fuerza de Lorentz para acelerar todas las especies (electrones libres, así como iones positivos y negativos) en la misma dirección, independientemente de su carga eléctrica, y se denominan específicamente motores de propulsión de plasma, donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración.

Los propulsores de iones en funcionamiento suelen consumir entre 1 y 7 kW de potencia, tienen velocidades de escape de entre 20 y 50 km/s (Isp 2000–5000 s) y poseen empujes de 25–250 mN y una eficiencia de propulsión de 65–80 %, aunque las versiones experimentales han logrado 100 kW (130 hp), 5 N (1,1 lb_f).

La nave espacial Deep Space 1, propulsada por un propulsor de iones, cambió la velocidad en 4,3 km/s (2,7 mi/s) mientras consumía menos de 74 kg (163 lb) de xenón. La nave espacial Dawn batió el récord, con un cambio de velocidad de 11,5 km/s (7,1 mi/s), aunque solo fue la mitad de eficiente y requirió 425 kg (937 lb) de xenón.

Las aplicaciones incluyen el control de la orientación y la posición de los satélites en órbita (algunos satélites tienen docenas de propulsores de iones de baja potencia) y el uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de baja masa (como Deep Space 1 y Amanecer).

Los motores de empuje iónico generalmente solo son prácticos en el vacío del espacio, ya que el minúsculo empuje del motor no puede superar ninguna resistencia significativa del aire sin cambios radicales en el diseño, como se puede encontrar en la 'Propulsión eléctrica de respiración atmosférica' 39; concepto. El MIT ha creado diseños que pueden volar distancias cortas y velocidades bajas al nivel del suelo, utilizando materiales ultraligeros y perfiles aerodinámicos de baja resistencia. Por lo general, un motor de iones no puede generar suficiente empuje para lograr el despegue inicial de cualquier cuerpo celeste con una gravedad superficial significativa. Por estas razones, las naves espaciales deben depender de otros métodos, como cohetes químicos convencionales o tecnologías de lanzamiento sin cohetes, para alcanzar su órbita inicial.

Orígenes

SERT-1 nave espacial

La primera persona que escribió un artículo para presentar la idea públicamente fue Konstantin Tsiolkovsky en 1911. La técnica se recomendó para condiciones de casi vacío a gran altura, pero el empuje se demostró con corrientes de aire ionizado a presión atmosférica. La idea volvió a aparecer en Wege zur Raumschiffahrt (1929; Ways to Spaceflight) de Hermann Oberth, donde explicaba sus pensamientos sobre el ahorro masivo de la propulsión eléctrica, predicho su uso en la propulsión de naves espaciales y el control de actitud, y abogó por la aceleración electrostática de gases cargados.

Harold R. Kaufman construyó un propulsor de iones funcional en 1959 en las instalaciones del Centro de Investigación Glenn de la NASA. Era similar a un propulsor de iones electrostáticos cuadriculados y usaba mercurio como propulsor. Las pruebas suborbitales se realizaron durante la década de 1960 y en 1964, el motor se envió a un vuelo suborbital a bordo del Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). Operó con éxito durante los 31 minutos planificados antes de caer a la Tierra. Esta prueba fue seguida por una prueba orbital, SERT-2, en 1970.

Una forma alternativa de propulsión eléctrica, el propulsor de efecto Hall, se estudió de forma independiente en los Estados Unidos y la Unión Soviética en las décadas de 1950 y 1960. Los propulsores de efecto Hall operaron en satélites soviéticos desde 1972 hasta finales de la década de 1990, y se utilizaron principalmente para la estabilización de satélites en las direcciones norte-sur y este-oeste. Unos 100 a 200 motores completaron misiones en satélites soviéticos y rusos. El diseño de propulsores soviéticos se introdujo en Occidente en 1992 después de que un equipo de especialistas en propulsión eléctrica, con el apoyo de la Organización de Defensa contra Misiles Balísticos, visitara los laboratorios soviéticos.

Principio general de funcionamiento

Los propulsores de iones utilizan haces de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) para crear empuje de acuerdo con la conservación del momento. El método para acelerar los iones varía, pero todos los diseños aprovechan la relación carga/masa de los iones. Esta relación significa que las diferencias de potencial relativamente pequeñas pueden crear altas velocidades de escape. Esto reduce la cantidad de masa de reacción o propulsor requerida, pero aumenta la cantidad de potencia específica requerida en comparación con los cohetes químicos. Por lo tanto, los propulsores de iones pueden lograr impulsos específicos elevados. El inconveniente del bajo empuje es la baja aceleración porque la masa de la unidad de energía eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de energía. Este bajo empuje hace que los propulsores de iones no sean adecuados para poner en órbita naves espaciales, pero sí efectivos para la propulsión en el espacio durante períodos de tiempo más prolongados.

Los propulsores de iones se clasifican como electrostáticos o electromagnéticos. La principal diferencia es el método para acelerar los iones.

• Los propulsores de iones electrostáticos utilizan la fuerza Coulomb y aceleran los iones en la dirección del campo eléctrico.
• Los propulsores de iones electromagnéticos utilizan la fuerza Lorentz para acelerar los iones en la dirección perpendicular al campo eléctrico.

La energía eléctrica para los propulsores de iones suele provenir de paneles solares. Sin embargo, para distancias suficientemente grandes del sol, se puede utilizar la energía nuclear. En cada caso, la masa de la fuente de alimentación es proporcional a la potencia máxima que se puede suministrar, y ambos proporcionan, para esta aplicación, casi ningún límite a la energía.

Los propulsores eléctricos tienden a producir baja empuje, lo que resulta en baja aceleración. Definición 1g=9.81m/s2{displaystyle 1g=9.81;mathrm {m/s^{2}}, la aceleración gravitacional estándar de la Tierra, y notando que F=ma⟹ ⟹ a=F/m{displaystyle F=maimplies a=F/m}Esto se puede analizar. Un impulsor NSTAR que produce una fuerza de empuje de 92 mN acelerará un satélite con una masa de 1ton by 0.092N / 1000 kg = 9,2×10^{; 5 -}m/s² (o 9.38)×10⁻⁶g). Sin embargo, esta aceleración puede ser sostenida durante meses o años a la vez, en contraste con las quemaduras muy cortas de los cohetes químicos.

F=2.. PgIsp{displaystyle F=2{frac} - ¿Sí?

• F es la fuerza impulsora en N,
• . es la eficiencia
• P es la energía eléctrica utilizada por el impulsor en W, y
• I_sp es el impulso específico en segundos.

El propulsor de iones no es el tipo más prometedor de propulsión de naves espaciales eléctricas, pero es el más exitoso en la práctica hasta la fecha. Una unidad de iones requeriría dos días para acelerar un automóvil a la velocidad de la autopista en el vacío. Las características técnicas, especialmente de empuje, son considerablemente inferiores a los prototipos descritos en la literatura, las capacidades técnicas están limitadas por la carga espacial creada por los iones. Esto limita la densidad de empuje (fuerza por área de sección transversal del motor). Los propulsores de iones crean niveles de empuje pequeños (el empuje de Deep Space 1 es aproximadamente igual al peso de una hoja de papel) en comparación con los cohetes químicos convencionales, pero logran un impulso específico alto, o eficiencia de masa propulsora, al acelerando el escape a alta velocidad. La potencia impartida al escape aumenta con el cuadrado de la velocidad del escape, mientras que el aumento del empuje es lineal. Por el contrario, los cohetes químicos proporcionan un gran empuje, pero su impulso total está limitado por la pequeña cantidad de energía que se puede almacenar químicamente en los propulsores. Dado el peso práctico de las fuentes de energía adecuadas, la aceleración de un propulsor iónico suele ser inferior a una milésima parte de la gravedad estándar. Sin embargo, dado que funcionan como motores eléctricos (o electrostáticos), convierten una fracción mayor de la potencia de entrada en potencia de escape cinética. Los cohetes químicos funcionan como motores térmicos y el teorema de Carnot limita la velocidad de escape.

Propulsores electrostáticos

Propulsores de iones electrostáticos en rejilla

Un diagrama de cómo funciona un motor de iones electrostático (tipo de cusp magnético multitipole)

El desarrollo de propulsores de iones electrostáticos reticulares comenzó en la década de 1960 y, desde entonces, se ha utilizado para la propulsión de satélites comerciales y misiones científicas. Su característica principal es que el proceso de ionización del propelente está físicamente separado del proceso de aceleración de iones.

El proceso de ionización tiene lugar en la cámara de descarga, donde, al bombardear el propulsor con electrones energéticos, la energía transferida expulsa electrones de valencia de los átomos del gas propulsor. Estos electrones pueden ser proporcionados por un filamento de cátodo caliente y acelerados a través de la diferencia de potencial hacia un ánodo. Alternativamente, los electrones pueden ser acelerados por un campo eléctrico inducido oscilante creado por un electroimán alterno, lo que da como resultado una descarga autosostenida sin cátodo (propulsor de iones de radiofrecuencia).

Los iones cargados positivamente son extraídos por un sistema que consta de 2 o 3 rejillas de múltiples aperturas. Después de ingresar al sistema de rejilla cerca de la cubierta de plasma, los iones son acelerados por la diferencia de potencial entre la primera rejilla y la segunda rejilla (llamada rejilla de pantalla y rejilla aceleradora, respectivamente) a la energía iónica final de (típicamente) 1–2 keV, que genera empuje.

Los propulsores de iones emiten un haz de iones cargados positivamente. Para evitar que la nave espacial acumule carga, se coloca otro cátodo cerca del motor para emitir electrones en el haz de iones, dejando el propulsor eléctricamente neutro. Esto evita que el haz de iones sea atraído (y regrese) a la nave espacial, lo que cancelaría el empuje.

Investigación sobre propulsores de iones electrostáticos reticulados (pasado/presente):

• NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), 2.3 kW, utilizado en dos misiones exitosas
• Tractor Xenon Evolutivo de la NASA (NEXT), 6.9 kW, hardware de calificación de vuelo construido
• Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)
• Propulsión eléctrica de alta potencia (HiPEP), 25 kW, ejemplo de prueba construido y ejecutado brevemente en el suelo
• EADS Radio-frecuencia Ion Thruster (RIT)
• Dual-Stage 4-Grid (DS4G)

Propulsores de efecto Hall

Esquema de un propulsor de efecto Hall

Los propulsores de efecto Hall aceleran los iones por medio de un potencial eléctrico entre un ánodo cilíndrico y un plasma cargado negativamente que forma el cátodo. La mayor parte del propulsor (normalmente xenón) se introduce cerca del ánodo, donde se ioniza y fluye hacia el cátodo; los iones se aceleran hacia ya través de él, recogiendo electrones cuando salen para neutralizar el haz y dejar el propulsor a alta velocidad.

El ánodo está en un extremo de un tubo cilíndrico. En el centro hay una espiga que se enrolla para producir un campo magnético radial entre ella y el tubo que la rodea. Los iones no se ven afectados en gran medida por el campo magnético, ya que son demasiado masivos. Sin embargo, los electrones producidos cerca del final de la espiga para crear el cátodo quedan atrapados por el campo magnético y se mantienen en su lugar por su atracción hacia el ánodo. Algunos de los electrones descienden en espiral hacia el ánodo, circulando alrededor del pico en una corriente de Hall. Cuando llegan al ánodo, impactan el propulsor descargado y hacen que se ionice, antes de llegar finalmente al ánodo y completar el circuito.

Propulsión eléctrica de emisión de campo

Los propulsores de propulsión eléctrica de emisión de campo (FEEP) pueden utilizar propulsores de cesio o indio. El diseño comprende un pequeño depósito de propulsor que almacena el metal líquido, un tubo estrecho o un sistema de placas paralelas a través de las cuales fluye el líquido y un acelerador (un anillo o una abertura alargada en una placa metálica) alrededor de un milímetro más allá del extremo del tubo. El cesio y el indio se utilizan debido a sus altos pesos atómicos, bajos potenciales de ionización y bajos puntos de fusión. Una vez que el metal líquido llega al final del tubo, un campo eléctrico aplicado entre el emisor y el acelerador hace que la superficie del líquido se deforme en una serie de cúspides sobresalientes o conos de Taylor. A un voltaje aplicado suficientemente alto, los iones positivos se extraen de las puntas de los conos. El campo eléctrico creado por el emisor y el acelerador acelera los iones. Una fuente externa de electrones neutraliza la corriente de iones con carga positiva para evitar la carga de la nave espacial.

Propulsores electromagnéticos

Propulsores inductivos pulsados

Los propulsores inductivos pulsados (PIT) utilizan pulsos en lugar de empuje continuo y tienen la capacidad de funcionar con niveles de potencia del orden de megavatios (MW). Los PIT consisten en una gran bobina que rodea un tubo en forma de cono que emite el gas propulsor. El amoníaco es el gas más utilizado. Para cada pulso, se acumula una gran carga en un grupo de capacitores detrás de la bobina y luego se libera. Esto crea una corriente que se mueve circularmente en la dirección de jθ. Luego, la corriente crea un campo magnético en la dirección radial hacia afuera (Br), que luego crea una corriente en el gas que se acaba de liberar en la dirección opuesta a la corriente original. Esta corriente opuesta ioniza el amoníaco. Los iones cargados positivamente se aceleran alejándose del motor debido al campo eléctrico jθ que cruza el campo magnético Br, debido a la fuerza de Lorentz.

Propulsor magnetoplasmadinámico

Los propulsores magnetoplasmadinámicos (MPD) y los propulsores del acelerador de fuerza Lorentz de litio (LiLFA) utilizan aproximadamente la misma idea. El propulsor LiLFA se basa en el propulsor MPD. El hidrógeno, el argón, el amoníaco y el nitrógeno se pueden utilizar como propulsores. En una determinada configuración, el gas ambiental en órbita terrestre baja (LEO) se puede utilizar como propulsor. El gas ingresa a la cámara principal donde es ionizado en plasma por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo. Este plasma luego conduce electricidad entre el ánodo y el cátodo, cerrando el circuito. Esta nueva corriente crea un campo magnético alrededor del cátodo, que se cruza con el campo eléctrico, acelerando así el plasma debido a la fuerza de Lorentz.

El propulsor LiLFA utiliza la misma idea general que el propulsor MPD, aunque con dos diferencias principales. En primer lugar, el LiLFA utiliza vapor de litio, que se puede almacenar como sólido. La otra diferencia es que el cátodo único se reemplaza por múltiples varillas de cátodo más pequeñas empaquetadas en un tubo de cátodo hueco. Los cátodos MPD se corroen fácilmente debido al contacto constante con el plasma. En el propulsor LiLFA, el vapor de litio se inyecta en el cátodo hueco y no se ioniza a su forma de plasma/corroe las varillas del cátodo hasta que sale del tubo. Luego, el plasma se acelera utilizando la misma fuerza de Lorentz.

En 2013, la empresa rusa Chemical Automatics Design Bureau realizó con éxito una prueba de banco de su motor MPD para viajes espaciales de larga distancia.

Propulsores de plasma sin electrodos

Los propulsores de plasma sin electrodos tienen dos características únicas: la eliminación de los electrodos de ánodo y cátodo y la capacidad de estrangular el motor. La eliminación de los electrodos elimina la erosión, lo que limita la vida útil de otros motores iónicos. El gas neutro es primero ionizado por ondas electromagnéticas y luego transferido a otra cámara donde es acelerado por un campo eléctrico y magnético oscilante, también conocido como fuerza ponderomotriz. Esta separación de las etapas de ionización y aceleración permite la estrangulación del flujo de propulsor, que luego cambia la magnitud del empuje y los valores de impulso específicos.

Propulsores de doble capa Helicon

Un propulsor helicónico de doble capa es un tipo de propulsor de plasma que expulsa gas ionizado a alta velocidad para proporcionar empuje. En este diseño, el gas se inyecta en una cámara tubular (el tubo fuente) con un extremo abierto. La potencia de CA de radiofrecuencia (a 13,56 MHz en el diseño del prototipo) se acopla a una antena de forma especial que envuelve la cámara. La onda electromagnética emitida por la antena hace que el gas se descomponga y forme un plasma. Luego, la antena excita una onda de helicón en el plasma, que lo calienta aún más. El dispositivo tiene un campo magnético aproximadamente constante en el tubo fuente (suministrado por solenoides en el prototipo), pero el campo magnético diverge y disminuye rápidamente en magnitud alejándose de la región fuente y podría considerarse como una especie de boquilla magnética. En funcionamiento, un límite nítido separa el plasma de alta densidad dentro de la región de la fuente y el plasma de baja densidad en el escape, lo que está asociado con un cambio brusco en el potencial eléctrico. Las propiedades del plasma cambian rápidamente a través de este límite, lo que se conoce como doble capa eléctrica sin corriente. El potencial eléctrico es mucho mayor dentro de la región fuente que en el escape y esto sirve tanto para confinar la mayoría de los electrones como para acelerar los iones lejos de la región fuente. Suficientes electrones escapan de la región fuente para asegurar que el plasma en el escape sea neutral en general.

Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR)

El cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR) propuesto funciona mediante el uso de ondas de radio para ionizar un propulsor en un plasma y luego mediante un campo magnético para acelerar el plasma fuera de la parte posterior del motor del cohete para generar empuje. El VASIMR está siendo desarrollado actualmente por Ad Astra Rocket Company, con sede en Houston, Texas, con la ayuda de Nautel, con sede en Canadá, que produce los generadores de RF de 200 kW para propulsor ionizante. Algunos de los componentes y "brotes de plasma" Los experimentos se ensayan en un laboratorio radicado en Liberia, Costa Rica. Este proyecto está liderado por el exastronauta de la NASA Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Se estaba discutiendo la instalación de un motor de prueba VASIMR de 200 kW en el exterior de la Estación Espacial Internacional, como parte del plan para probar el VASIMR en el espacio; sin embargo, los planes para esta prueba a bordo de la ISS fueron cancelados en 2015 por la NASA, y Ad Astra discutió una prueba VASIMR de vuelo libre en su lugar. Un motor de 200 MW previsto podría reducir la duración del vuelo de la Tierra a Júpiter o Saturno de seis años a catorce meses, y a Marte de siete meses a 39 días.

Propulsores electrotérmicos de microondas

Propulsor electrotérmico de microondas

Componentes de propulsión

Cámara de carga

Bajo una beca de investigación del Centro de Investigación Lewis de la NASA durante las décadas de 1980 y 1990, Martin C. Hawley y Jes Asmussen dirigieron un equipo de ingenieros en el desarrollo de un propulsor electrotérmico de microondas (MET).

En la cámara de descarga, la energía de microondas (MW) fluye hacia el centro que contiene un alto nivel de iones (I), lo que provoca la ionización de especies neutras en el propulsor gaseoso. Flujo de especies excitadas (FES) a través de la región de iones bajos (II) hacia una región neutra (III) donde los iones completan su recombinación, reemplazados por el flujo de especies neutras (FNS) hacia el centro. Mientras tanto, la energía se pierde en las paredes de la cámara a través de la conducción y convección de calor (HCC), junto con la radiación (Rad). La energía restante absorbida por el propulsor gaseoso se convierte en empuje.

Propulsor de radioisótopos

Se ha propuesto un sistema de propulsión teórico, basado en partículas alfa (He²⁺
o ⁴
₂He²⁺
que indica un ion de helio con una carga de +2) emitido por un radioisótopo unidireccionalmente a través de un orificio en su cámara. Un cañón de electrones neutralizadores produciría una pequeña cantidad de empuje con un alto impulso específico del orden de millones de segundos debido a la alta velocidad relativista de las partículas alfa.

Una variante de esto utiliza una rejilla basada en grafito con un alto voltaje de CC estático para aumentar el empuje, ya que el grafito tiene una alta transparencia a las partículas alfa si también se irradia con luz ultravioleta de onda corta en la longitud de onda correcta desde un emisor de estado sólido.. También permite fuentes de menor energía y vida media más prolongada, lo que sería ventajoso para una aplicación espacial. El relleno de helio también se ha sugerido como una forma de aumentar el camino libre medio de electrones.

Comparaciones

Vida útil

Propulsores de iones' El bajo empuje requiere una operación continua durante mucho tiempo para lograr el cambio de velocidad necesario (delta-v) para una misión en particular. Los propulsores de iones están diseñados para proporcionar un funcionamiento continuo durante intervalos de semanas a años.

La vida útil de los propulsores de iones electrostáticos está limitada por varios procesos.

Vida útil del propulsor cuadriculado

En los diseños de rejilla electrostática, los iones de intercambio de carga producidos por el haz de iones con el flujo de gas neutro pueden acelerarse hacia la rejilla del acelerador con polarización negativa y provocar la erosión de la rejilla. El final de la vida útil se alcanza cuando la estructura de la rejilla falla o los agujeros en la rejilla se vuelven lo suficientemente grandes como para que la extracción de iones se vea sustancialmente afectada, por ejemplo, por la ocurrencia de una corriente inversa de electrones. La erosión de la red no se puede evitar y es el principal factor limitante de la vida útil. El diseño meticuloso de la rejilla y la selección de materiales permiten una vida útil de 20 000 horas o más.

Una prueba del propulsor de iones electrostáticos de Preparación para aplicaciones de tecnología solar (NSTAR) de la NASA dio como resultado 30 472 horas (aproximadamente 3,5 años) de empuje continuo a máxima potencia. El examen posterior a la prueba indicó que el motor no se acercaba a la falla. NSTAR operó durante años en Dawn.

El proyecto Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) de la NASA funcionó de forma continua durante más de 48 000 horas. La prueba se llevó a cabo en una cámara de prueba de alto vacío. Durante el transcurso de la prueba, que duró más de cinco años y medio, el motor consumió aproximadamente 870 kilogramos de propulsor de xenón. El impulso total generado requeriría más de 10.000 kilogramos de propulsor de cohete convencional para una aplicación similar.

Vida útil del propulsor de efecto Hall

Los propulsores de efecto Hall sufren una fuerte erosión de la cámara de descarga de cerámica por el impacto de iones energéticos: una prueba informada en 2010 mostró una erosión de alrededor de 1 mm por cada cien horas de funcionamiento, aunque esto es inconsistente con la vida útil en órbita observada de unos miles de horas.

Se espera que el Sistema de propulsión eléctrica avanzada (AEPS) acumule alrededor de 5000 horas y el diseño apunta a lograr un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23 000 horas y una vida completa de alrededor de 50 000 horas.

Propelentes

La energía de ionización representa un gran porcentaje de la energía necesaria para hacer funcionar los impulsores iónicos. El propulsor ideal es, por lo tanto, fácil de ionizar y tiene una alta relación masa/energía de ionización. Además, el propulsor no debe erosionar el propulsor en gran medida, para permitir una larga vida útil, y no debe contaminar el vehículo.

Muchos diseños actuales utilizan gas xenón, ya que es fácil de ionizar, tiene un número atómico razonablemente alto, es inerte y causa poca erosión. Sin embargo, el xenón escasea a nivel mundial y es caro (aproximadamente $3000 por kg en 2021).

Algunos diseños antiguos de propulsores de iones usaban propulsor de mercurio. Sin embargo, el mercurio es tóxico, tendía a contaminar las naves espaciales y era difícil alimentarlo con precisión. Un prototipo comercial moderno puede estar usando mercurio con éxito. El mercurio fue prohibido formalmente como propulsor en 2022 por la Convención de Minamata sobre Mercurio.

Desde 2018, el criptón se usa para alimentar los propulsores de efecto Hall a bordo de los satélites de Internet Starlink, en parte debido a su menor costo que el propulsor de xenón convencional.

Otros propulsores, como el bismuto y el yodo, son prometedores tanto para diseños sin rejilla como los propulsores de efecto Hall y los propulsores de iones con rejilla.

El yodo se utilizó como propulsor por primera vez en el espacio, en el propulsor de iones reticulares NPT30-I2 de ThrustMe, a bordo de la misión Beihangkongshi-1 lanzada en noviembre de 2020, con un extenso informe publicado un año después en la revista Naturaleza. El CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) utilizado en la misión Mars Array of Ionosphere Research Satellites Using the CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) también propone utilizar yodo sólido como propulsor para minimizar el volumen de almacenamiento.

El diseño de VASIMR (y otros motores basados en plasma) teóricamente puede utilizar prácticamente cualquier material como propulsor. Sin embargo, en las pruebas actuales, el propulsor más práctico es el argón, que es relativamente abundante y económico.

Eficiencia energética

Parcela de eficiencia propulsiva instantánea y eficiencia general para un vehículo acelerando del descanso como porcentajes de la eficiencia del motor. Tenga en cuenta que la eficiencia máxima del vehículo ocurre aproximadamente 1,6 veces la velocidad de escape.

La eficiencia del propulsor de iones es la energía cinética del chorro de escape emitido por segundo dividida por la potencia eléctrica en el dispositivo.

La eficiencia energética general del sistema está determinada por la eficiencia de propulsión, que depende de la velocidad del vehículo y la velocidad de escape. Algunos propulsores pueden variar la velocidad de escape en funcionamiento, pero todos pueden diseñarse con diferentes velocidades de escape. En el extremo inferior del impulso específico, I_sp, la eficiencia general cae porque la ionización consume un mayor porcentaje de energía y en el extremo superior se reduce la eficiencia de propulsión.

Se pueden calcular las eficiencias óptimas y las velocidades de escape para cualquier misión dada para obtener un costo total mínimo.

Misiones

Los propulsores de iones tienen muchas aplicaciones de propulsión en el espacio. Las mejores aplicaciones hacen uso del intervalo de misión largo cuando no se necesita un empuje significativo. Ejemplos de esto incluyen transferencias de órbita, ajustes de actitud, compensación de arrastre para órbitas terrestres bajas, ajustes finos para misiones científicas y transporte de carga entre depósitos de propulsores, por ejemplo, para combustibles químicos. Los propulsores de iones también se pueden usar para misiones interplanetarias y de espacio profundo donde las tasas de aceleración no son cruciales. Los propulsores de iones se consideran la mejor solución para estas misiones, ya que requieren un gran cambio de velocidad pero no requieren una aceleración rápida. El empuje continuo durante períodos prolongados puede alcanzar altas velocidades y consumir mucho menos propulsor que los cohetes químicos tradicionales.

Vehículos de demostración

SERTAR

Los sistemas de propulsión iónica se demostraron por primera vez en el espacio con las misiones Space Electric Rocket Test (SERT)-1 y SERT-2A de la NASA (ahora Centro de Investigación Glenn). El 20 de julio de 1964 se lanzó un vuelo suborbital SERT-1 y se demostró con éxito que la tecnología funcionaba según lo previsto en el espacio. Estos eran propulsores de iones electrostáticos que usaban mercurio y cesio como masa de reacción. SERT-2A, lanzado el 4 de febrero de 1970, verificó el funcionamiento de dos motores de iones de mercurio durante miles de horas de funcionamiento.

Misiones operativas

Los propulsores de iones se utilizan habitualmente para el mantenimiento de la estación en satélites de comunicaciones comerciales y militares en órbita geosincrónica. La Unión Soviética fue pionera en este campo, utilizando propulsores de plasma estacionarios (SPT) en satélites a principios de la década de 1970.

Dos satélites geoestacionarios (el Artemis de la ESA entre 2001 y 2003 y el AEHF-1 del ejército de los Estados Unidos entre 2010 y 2012) utilizaron el propulsor de iones para cambiar de órbita después de que fallara el motor de propulsor químico. Boeing comenzó a usar propulsores de iones para el mantenimiento de la estación en 1997 y planeó en 2013-2014 ofrecer una variante en su plataforma 702, sin motor químico ni propulsores de iones para elevar la órbita; esto permite una masa de lanzamiento significativamente menor para una capacidad de satélite dada. AEHF-2 usó un motor químico para elevar el perigeo a 16 330 km (10 150 mi) y procedió a la órbita geosíncrona usando propulsión eléctrica.

En órbita terrestre

Estación espacial Tiangong

La estación espacial Tiangong de China está equipada con propulsores de iones. El módulo central de Tianhe es propulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores de efecto Hall, que se utilizan para ajustar y mantener la órbita de la estación. El desarrollo de los propulsores de efecto Hall se considera un tema delicado en China, y los científicos "trabajan para mejorar la tecnología sin llamar la atención". Los propulsores de efecto Hall se crean teniendo en cuenta la seguridad de la misión tripulada con el esfuerzo de evitar la erosión y el daño causado por las partículas de iones acelerados. Se creó un campo magnético y un escudo de cerámica especialmente diseñado para repeler las partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia de Ciencias de China, el motor de iones utilizado en Tiangong se ha quemado continuamente durante 8240 horas sin fallas, lo que indica su idoneidad para la vida útil designada de 15 años de la estación espacial china.

Starlink

La constelación de satélites Starlink de SpaceX utiliza propulsores de efecto Hall alimentados por criptón para elevar la órbita, realizar maniobras y salir de órbita al final de su uso.

GOCE

El Explorador de campo gravitatorio y circulación oceánica en estado estacionario (GOCE) de la ESA se lanzó el 16 de marzo de 2009. Durante su misión de veinte meses, utilizó propulsión iónica para combatir la resistencia aerodinámica que experimentaba en su órbita baja (altitud de 255 kilómetros) antes de salir de órbita intencionalmente el 11 de noviembre de 2013.

En el espacio profundo

Espacio Profundo 1

La NASA desarrolló el motor de iones NSTAR para su uso en misiones científicas interplanetarias a partir de fines de la década de 1990. Fue probado en el espacio en la exitosa sonda espacial Deep Space 1, lanzada en 1998. Este fue el primer uso de la propulsión eléctrica como sistema de propulsión interplanetaria en una misión científica. Basándose en los criterios de diseño de la NASA, Hughes Research Labs desarrolló el Sistema de propulsión de iones de xenón (XIPS) para realizar el mantenimiento de la estación en satélites geosincrónicos. Hughes (EDD) fabricó el propulsor NSTAR utilizado en la nave espacial.

Hayabusa y Hayabusa2

La sonda espacial Hayabusa de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial se lanzó en 2003 y se reunió con éxito con el asteroide 25143 Itokawa. Estaba propulsado por cuatro motores de iones de xenón, que utilizaban resonancia de ciclotrón de electrones de microondas para ionizar el propulsor y un material compuesto de carbono/carbono resistente a la erosión para su rejilla de aceleración. Aunque los motores de iones en Hayabusa experimentaron dificultades técnicas, la reconfiguración en vuelo permitió reparar uno de los cuatro motores y permitió que la misión regresara con éxito a la Tierra.

Hayabusa2, lanzado en 2014, se basó en Hayabusa. También utilizó propulsores de iones.

Inteligente 1

El satélite SMART-1 de la Agencia Espacial Europea se lanzó en 2003 utilizando un propulsor Snecma PPS-1350-G Hall para pasar de GTO a la órbita lunar. Este satélite completó su misión el 3 de septiembre de 2006, en una colisión controlada en la superficie de la Luna, luego de una desviación de trayectoria para que los científicos pudieran ver el cráter de 3 metros que el impacto creó en el lado visible de la Luna.

Amanecer

Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007 para explorar el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres. Usó tres propulsores de iones de xenón heredados de Deep Space 1 (disparando uno a la vez). El motor de iones Dawn's es capaz de acelerar de 0 a 97 km/h (60 mph) en 4 días de disparo continuo. La misión terminó el 1 de noviembre de 2018, cuando la nave espacial se quedó sin propulsor químico de hidracina para sus propulsores de posición.

Buscador de LISA

LISA Pathfinder es una nave espacial de la ESA lanzada en 2015 para orbitar el punto L1 Sol-Tierra. No utiliza propulsores de iones como su sistema de propulsión principal, pero utiliza propulsores coloidales y FEEP para un control de actitud preciso: los bajos empujes de estos dispositivos de propulsión hacen posible mover la nave espacial distancias incrementales con precisión. Es una prueba para la misión LISA. La misión finalizó el 30 de diciembre de 2017.

BepiColombo

La misión BepiColombo de la ESA se lanzó a Mercurio el 20 de octubre de 2018. Utiliza propulsores de iones en combinación con oscilaciones para llegar a Mercurio, donde un cohete químico completará la inserción en órbita.

Prueba de redirección de doble asteroide

La prueba de redirección de doble asteroide (DART) de la NASA se lanzó en 2021 y operó su propulsor de iones de xenón NEXT-C durante aproximadamente 1000 horas para alcanzar el asteroide objetivo el 28 de septiembre de 2022.

Misiones propuestas

Estación Espacial Internacional

En marzo de 2011, se estaba considerando el futuro lanzamiento de un propulsor electromagnético VASIMR Ad Astra VF-200 200 kW para probarlo en la Estación Espacial Internacional (ISS). Sin embargo, en 2015, la NASA finalizó los planes para volar el VF-200 a la ISS. Un portavoz de la NASA declaró que la ISS "no era una plataforma de demostración ideal para el nivel de rendimiento deseado de los motores". Ad Astra declaró que las pruebas de un propulsor VASIMR en la ISS seguirían siendo una opción después de una futura demostración en el espacio.

El VF-200 habría sido una versión de vuelo del VX-200. Dado que la potencia disponible de la ISS es inferior a 200 kW, el ISS VASIMR habría incluido un sistema de batería de carga lenta que permitía pulsos de empuje de 15 minutos. La ISS orbita a una altitud relativamente baja y experimenta niveles bastante altos de resistencia atmosférica, lo que requiere impulsos de altitud periódicos: sería valioso un motor de alta eficiencia (impulso específico alto) para mantenerse en posición; en teoría, la reactivación de VASIMR podría reducir el costo del combustible de los 210 millones de dólares anuales actuales a una vigésima parte. En teoría, VASIMR podría usar tan solo 300 kg de gas argón para el mantenimiento de la estación de la ISS en lugar de 7500 kg de combustible químico: la alta velocidad de escape (alto impulso específico) lograría la misma aceleración con una menor cantidad de propulsor, en comparación con el químico. propulsión con su menor velocidad de escape que necesita más combustible. La ISS genera hidrógeno como subproducto y lo expulsa al espacio.

La NASA trabajó anteriormente en un propulsor de efecto Hall de 50 kW para la ISS, pero el trabajo se detuvo en 2005.

Puerta Lunar

El elemento de potencia y propulsión (PPE) es un módulo en Lunar Gateway que proporciona capacidades de generación de energía y propulsión. Su objetivo es el lanzamiento en un vehículo comercial en enero de 2024. Probablemente usaría el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) de 50 kW que se está desarrollando en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y Aerojet Rocketdyne.

MARTE-GATO

La misión MARS-CAT (Mars Array of ionosphere Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster) es una misión conceptual de dos CubeSat de 6U para estudiar Marte' ionosfera. La misión investigaría su estructura magnética y de plasma, incluidas las estructuras de plasma transitorias, la estructura del campo magnético, la actividad magnética y la correlación con los impulsores del viento solar. El propulsor CAT ahora se llama propulsor RF y es fabricado por Phase Four.

Misiones interestelares

Geoffrey A. Landis propuso usar un propulsor de iones impulsado por un láser espacial, junto con una vela de luz, para impulsar una sonda interestelar.

Cultura popular

• La idea de un motor iónico apareció por primera vez en Donald W. Horner Por Aeroplane al Sol: Ser las Aventuras de un Aviador Daring y sus Amigos (1910).
• Propulsión Ion es la principal fuente de impulso de la nave espacial Kosmokrator en la película de ciencia ficción de Alemania Oriental Der Schweigende Stern (1960). Minuto 28:10.
• En 1968 Star Trek episodio "Spock's Brain", Scotty está repetidamente impresionado por el uso de la civilización del poder ion.