Pequeños motores de plasma pueden propulsar viajes interplanetarios
Los propulsores Hall más pequeños pueden generar mucho más empuje, lo que podría convertirlos en candidatos para misiones tripuladas interplanetarias, revela un estudio de la Universidad de Michigan.
Hasta ahora se creía que estos motores de plasma, un tipo de propulsión eléctrica eficaz muy utilizado en órbita, debían ser grandes para producir mucho empuje.
"Hasta ahora se pensaba que sólo se podía empujar una cierta cantidad de corriente a través de la superficie de un propulsor, lo que a su vez se traduce directamente en la cantidad de fuerza o empuje que se puede generar por unidad de superficie", explica Benjamin Jorns, profesor asociado de ingeniería aeroespacial que ha dirigido el nuevo estudio sobre propulsores Hall.
Su equipo desafió este límite haciendo funcionar un propulsor Hall de 9 kilovatios hasta 45 kilovatios, manteniendo aproximadamente el 80% de su eficiencia nominal. Ello multiplicó casi por 10 la cantidad de fuerza generada por unidad de superficie.
Ya sea un propulsor de plasma o de iones, la propulsión eléctrica es nuestra mejor opción para los viajes interplanetarios, pero la ciencia se encuentra en una encrucijada. Mientras que los propulsores Hall son una tecnología bien probada, un concepto alternativo, conocido como propulsor magnetoplasmodinámico, promete reunir mucha más potencia en motores más pequeños. Sin embargo, aún no se ha demostrado su eficacia en muchos aspectos, como la vida útil.
Se creía que los propulsores Hall no podían competir debido a su modo de funcionamiento. El propulsante, normalmente un gas noble como el xenón, se desplaza por un canal cilíndrico donde es acelerado por un potente campo eléctrico. Genera empuje en la dirección de avance mientras sale por la parte trasera. Pero antes de que el propulsante pueda acelerarse, necesita perder algunos electrones para adquirir carga positiva.
Los electrones acelerados por un campo magnético para que corran en anillo alrededor de ese canal -descrito como una "sierra zumbadora" por Jorns- arrancan electrones de los átomos del propulsante y los convierten en iones cargados positivamente. Sin embargo, los cálculos sugerían que si un propulsor Hall intentaba impulsar más propulsante a través del motor, los electrones que zumbaban en un anillo serían expulsados de la formación, rompiendo esa función de "sierra zumbadora".
"Es como intentar morder más de lo que se puede masticar", dijo Jorns. "La sierra circular no puede abrirse paso entre tanto material". Además, el motor se calentaría muchísimo. El equipo de Jorns puso a prueba estas creencias.
"Llamamos a nuestro propulsor H9 MUSCLE porque, básicamente, tomamos el propulsor H9 y lo convertimos en un 'deportivo' elevándolo a '11', en realidad a cien, si nos guiamos por una escala precisa", explica Leanne Su, estudiante de doctorado en ingeniería aeroespacial y miembro del equipo.
Abordaron el problema del calor enfriándolo con agua, lo que les permitió ver hasta qué punto iba a ser un problema la avería de la sierra circular. Resultó que no era mucho problema. Funcionando con xenón, el propulsante convencional, el H9 MUSCLE alcanzó los 37,5 kilovatios, con una eficiencia global de alrededor del 49%, no muy lejos de la eficiencia del 62% a su potencia de diseño de 9 kilovatios.
Funcionaban con criptón, un gas más ligero, y su potencia máxima era de 45 kilovatios. Con un rendimiento global del 51%, alcanzaban un empuje máximo de 1,8 newtons, comparable al del propulsor Hall X3 de 100 kilovatios.
"Se trata de un resultado bastante sorprendente, porque normalmente el criptón funciona mucho peor que el xenón en los propulsores Hall. Así que es muy interesante ver que podemos mejorar el rendimiento del criptón con respecto al xenón aumentando la densidad de corriente del propulsor", afirma Su.
Los propulsores Hall anidados como el X3 -también desarrollado en parte por la Universidad de Michigan- se han utilizado para el transporte interplanetario de carga, pero son mucho más grandes y pesados, lo que dificulta su uso para transportar seres humanos. Ahora, los propulsores Hall normales vuelven a estar sobre la mesa para los viajes tripulados.
Misiones tripuladas a marte en el lado más alejado del sol
Según Jorns, para que los propulsores Hall funcionen a potencias tan elevadas sería necesario encontrar una solución al problema de la refrigeración. Aún así, es optimista y cree que los propulsores individuales podrían funcionar a 100 o 200 kilovatios, dispuestos en conjuntos que proporcionaran un megavatio de empuje. Esto permitiría a las misiones tripuladas llegar a Marte incluso en el lado más alejado del Sol, recorriendo una distancia de 400 millones de kilómetros.
El equipo espera resolver el problema de la refrigeración y las dificultades que plantea el desarrollo de propulsores Hall y magnetoplasmodinámicos en la Tierra, donde hay pocas instalaciones capaces de probar propulsores para misiones a Marte. La cantidad de propulsante que sale del propulsor es demasiado rápida para que las bombas de vacío puedan mantener unas condiciones similares a las del espacio en el interior de la cámara de pruebas.
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