Propulsión eléctrica por emisión de campo

La propulsión eléctrica por emisión de campo ( FEEP ) es un concepto avanzado de propulsión espacial electrostática, una forma de propulsor iónico , que utiliza un metal líquido como propulsor, generalmente cesio , indio o mercurio . ^[1]

Un dispositivo FEEP consta de un emisor y un electrodo acelerador. Se aplica una diferencia de potencial del orden de 10 kV entre los dos, 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 del líquido. ^[2] A valores suficientemente altos del campo aplicado, los iones se extraen de la punta del cono mediante evaporación de campo o mecanismos similares, que luego se aceleran eléctricamente a altas velocidades, típicamente 100 km/s o más. Aunque la velocidad de escape de los iones es alta, su masa es muy baja, lo que da como resultado fuerzas de aceleración muy débiles. Su beneficio proviene de fuerzas de aceleración sostenidas durante largos períodos de tiempo. ^[3]

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 en 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 and Steady-State Ocean Circulation Explorer , ^[4] pero en su lugar se utilizó el propulsor iónico Gridded . ^[5] El primer propulsor FEEP operado en el espacio fue el IFM Nano Thruster, comisionado con éxito en la órbita terrestre baja en 2018. ^[6]

La 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 mediante un campo eléctrico intenso. Se utilizan elementos afilados, como agujas, para potenciar y concentrar la fuerza de este campo eléctrico. La aguja está recubierta de metal líquido, lo que maximiza la aceleración de los iones. ^[7]

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 precisa del empuje tanto en modo continuo como pulsado. ^[8] Actualmente base para misiones científicas a bordo de satélites sin resistencia , este sistema de propulsión también se ha propuesto para control de actitud y mantenimiento de órbita en pequeños satélites comerciales y constelaciones.

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

Este tipo de propulsor puede acelerar una gran cantidad de metales líquidos o aleaciones 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 el cesio ( Cs , 133 amu) y el rubidio ( Rb , 85,5 amu). Estos propulsores tienen un bajo potencial de ionización (3,87  eV para Cs y 4,16 eV para Rb), un bajo punto de fusión (28,7 °C para Cs y 38,9 °C para Rb) y muy buenas capacidades de humectación. ^[9]

Estas características permiten unas bajas pérdidas de potencia por ionización y calentamiento, y la posibilidad de utilizar fuerzas capilares para la alimentación, es decir, no se necesitan tanques presurizados ni válvulas. Además, los metales alcalinos tienen la menor capacidad para formar gotitas ionizadas o iones con carga múltiple, lo que permite obtener la mejor eficiencia de masa posible. El empuje real se produce mediante la descarga de un haz formado principalmente por átomos de cesio o rubidio de ionización simple, producidos por evaporación de campo en la punta del emisor.

Un electrodo acelerador se coloca directamente delante del emisor. Este electrodo consiste en una placa de metal (generalmente de acero inoxidable) donde se mecanizan dos cuchillas afiladas. Cuando se requiere empuje, se genera un campo eléctrico intenso mediante la aplicación de una diferencia de voltaje elevada entre el emisor y el acelerador. En 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. De este modo se crean una serie de cúspides salientes, o "conos de Taylor". Cuando el campo eléctrico alcanza un valor del orden de 10 ⁹  V/m, los átomos en la punta de las cúspides se ionizan espontáneamente y un chorro de iones es extraído por el campo eléctrico, mientras que los electrones son rechazados en la masa del líquido. Una fuente externa de electrones (neutralizador) proporciona cargas negativas para mantener la neutralidad eléctrica global del conjunto propulsor.

Las fuentes de iones metálicos líquidos (LMIS) basadas en ionización de campo o evaporación de campo se introdujeron a fines 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. ^[10] El uso de LMIS operados con galio, indio, metales alcalinos o aleaciones también ha sido una práctica estándar en espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) desde la década de 1970.

Aunque existen diferentes configuraciones de emisores de campo, como los de aguja, capilares y de rendija, el principio de funcionamiento es el mismo en todos los casos. En el emisor de rendija, por ejemplo, un propulsor de metal líquido se alimenta mediante fuerzas capilares a través de un canal estrecho. El emisor consta de dos mitades idénticas hechas de acero inoxidable y sujetadas o atornilladas entre sí. ^[11] Una capa de níquel, depositada por pulverización catódica sobre una de las mitades del emisor, delinea el contorno deseado del canal y determina la altura del canal (también conocida como altura de rendija, típicamente 1–2  μm ) y el ancho del canal (también conocida como longitud de rendija , que varía desde 1 mm hasta aproximadamente 7 cm). ^[11] El canal termina en la punta del emisor, formada por bordes afilados que se encuentran opuestos 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 está a 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 ranura no sólo permite la alimentación capilar, sino que, cuando se combina con los bordes afilados del canal directamente opuesto al acelerador, también garantiza que se obtenga una alta intensidad de campo eléctrico cerca de la salida de la ranura. 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 del 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 intensidad de campo eléctrico local de aproximadamente 10 ⁹  V/m, los electrones son arrancados de los átomos de metal. Estos electrones son recogidos 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 hueco en el electrodo acelerador negativo por el mismo campo eléctrico que los creó.

Los emisores de rendija se han desarrollado para aumentar el área de emisión del propulsor con el fin de obtener mayores niveles de empuje y evitar el comportamiento irregular observado en los emisores individuales. La ventaja sustancial de los emisores de rendija sobre las agujas apiladas reside en el mecanismo de autoajuste que rige la formación y redistribución de los sitios de emisión en la superficie del metal líquido según los parámetros de funcionamiento; en una matriz de agujas apiladas, por el contrario, los conos de Taylor solo pueden existir en las puntas fijas, que preconfiguran una disposición geométrica que solo puede ser consistente con una condición de funcionamiento particular.

Se han fabricado emisores de rendija con una amplia variedad de anchos de rendija; actualmente, se encuentran disponibles dispositivos con anchos de rendija de 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 .

En 2017 se informó sobre el diseño del módulo FEEP miniaturizado con un emisor en forma de corona para adaptarse al chasis CubeSat estándar.

El diseño  FEEP de emisor único de 0,5 mN está disponible comercialmente, ^[12] y su desarrollo de versión en matriz está cerca de completarse en 2018. ^[13]

• «FEEP – Propulsión eléctrica por emisión de campo». Alta SpA . Archivado desde el original el 7 de julio de 2011.
• "Propulsores FEEP". Grupo de Dinámica de Plasma y Gas en Desequilibrio . Universidad de Michigan . Archivado desde el original el 21 de febrero de 2009.