Motor de propulsión de plasma

Un motor de propulsión de plasma es un tipo de propulsión eléctrica que genera empuje a partir de un plasma cuasineutral . Esto contrasta con los motores de propulsión iónica , que generan empuje extrayendo una corriente iónica de la fuente de plasma , la cual luego se acelera a altas velocidades mediante rejillas de ánodos . Estos existen en diversas formas (véase propulsión eléctrica ). Sin embargo, en la literatura científica, el término "propulsor de plasma" a veces engloba propulsores que generalmente se denominan " motores iónicos ". ^{[ 1 ]}

Los propulsores de plasma no suelen utilizar rejillas de alto voltaje ni ánodos/ cátodos para acelerar las partículas cargadas en el plasma, sino que utilizan corrientes y potenciales generados internamente para acelerar los iones, lo que resulta en una menor velocidad de escape debido a la falta de altos voltajes de aceleración.

Este tipo de propulsor presenta varias ventajas. La ausencia de rejillas de ánodos de alto voltaje elimina un posible factor limitante derivado de la erosión iónica de la rejilla. El escape de plasma es "cuasineutral", lo que significa que existen iones positivos y electrones en igual número, lo que permite una simple recombinación ión-electrón en el escape para neutralizar la columna de escape, eliminando la necesidad de un cañón de electrones (cátodo hueco). Este propulsor suele generar el plasma fuente mediante energía de radiofrecuencia o microondas , utilizando una antena externa . Este hecho, combinado con la ausencia de cátodos huecos (que son sensibles a todos los gases excepto los nobles ), permite la posibilidad de utilizar este propulsor con una variedad de propelentes, desde argón hasta mezclas de aire con dióxido de carbono e incluso orina de astronauta . ^{[ 2 ]}

Los motores de plasma son muy adecuados para misiones interplanetarias debido a su alto impulso específico. ^{[ 3 ]}

Muchas agencias espaciales desarrollaron sistemas de propulsión de plasma, incluyendo la Agencia Espacial Europea , la Agencia Espacial Iraní y la Universidad Nacional Australiana , que codesarrollaron un propulsor de doble capa . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Los motores de plasma fueron utilizados por primera vez en el espacio por la Unión Soviética en la sonda Zond 2. Esta sonda espacial empleaba seis propulsores de plasma pulsado (PPT) como actuadores de su sistema de control de actitud. El sistema de propulsión se probó durante 70 minutos el 14 de diciembre de 1964, cuando la nave espacial se encontraba a 4,2 millones de kilómetros de la Tierra. ^{[ 6 ]}

En 2011, la NASA se asoció con Busek para lanzar el primer propulsor de efecto Hall a bordo del satélite Tacsat-2 . El propulsor era el sistema de propulsión principal del satélite. La compañía lanzó otro propulsor de efecto Hall ese mismo año. ^{[ 7 ]} En 2020, la Universidad de Wuhan publicó una investigación sobre un chorro de plasma . ^{[ 8 ]} Sin embargo, posteriormente se demostró que las estimaciones de empuje publicadas en ese trabajo eran casi nueve veces superiores a los niveles teóricamente posibles, incluso si el 100 % de la potencia de microondas de entrada se convirtiera en empuje. ^{[ 9 ]}

La empresa Ad Astra Rocket Company está desarrollando el cohete magnetoplasmático de impulso específico variable (VASIMR). La empresa canadiense Nautel fabrica los  generadores de radiofrecuencia de 200 kW necesarios para ionizar el propulsor. Algunas pruebas de componentes y experimentos de "disparo de plasma" se realizan en un laboratorio de Liberia, Costa Rica . Este proyecto está liderado por el Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA), exastronauta de la NASA .

La Alianza Aeroespacial Costarricense anunció el desarrollo de un soporte externo para el VASIMR que se instalará fuera de la Estación Espacial Internacional . Se esperaba que esta fase del plan para probar el VASIMR en el espacio se llevara a cabo en 2016.

Los motores de plasma tienen un impulso específico ( Isp ) mucho mayor que la mayoría _de los demás tipos de tecnología de cohetes. El propulsor VASIMR puede regularse para un impulso superior a 12000  s, y los propulsores Hall han alcanzado aproximadamente 2000  s. Esto representa una mejora significativa con respecto a los combustibles bipropelentes de los cohetes químicos convencionales, que presentan impulsos específicos de aproximadamente 450 s. ^{[ 10 ]} Con un impulso alto, los propulsores de plasma son capaces de alcanzar velocidades relativamente altas durante períodos prolongados de aceleración. El exastronauta Chang-Díaz afirma que el propulsor VASIMR podría enviar una carga útil a Marte en tan solo 39 días. ^{[ 11 ]}

Ciertos propulsores de plasma, como el mini-helicón, son reconocidos por su simplicidad y eficiencia. Su teoría de funcionamiento es relativamente sencilla y pueden utilizar diversos gases o combinaciones de ellos.

Estas cualidades sugieren que los propulsores de plasma tienen valor para muchos perfiles de misión. ^{[ 12 ]}

Posiblemente, el desafío más significativo para la viabilidad de los propulsores de plasma sea el requerimiento energético. ^{[ 5 ]} El motor VX-200, por ejemplo, requiere 200  kW de potencia eléctrica para producir 5  N de empuje, o 40  kW/N. Este requerimiento energético puede ser satisfecho por reactores de fisión, pero la masa del reactor (incluidos los sistemas de disipación de calor) puede resultar prohibitiva. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Otro desafío es la erosión del plasma. Durante el funcionamiento, el plasma puede erosionar térmicamente las paredes de la cavidad del propulsor y la estructura de soporte, lo que eventualmente puede provocar una falla del sistema. ^{[ 15 ]}

En promedio, los motores de plasma proporcionan un empuje máximo de aproximadamente 2 libras. ^{[ 10 ]} El empuje se reduce a casi cero en operación atmosférica, por lo que los motores de plasma no son adecuados para lanzamientos a la órbita terrestre.

• Propulsión de naves espaciales mediante energía eléctrica
• Vela magnética
• vuelos espaciales

• Propulsor de plasma mini-helicón
• Control de la separación del flujo sobre un perfil aerodinámico mediante un chorro de plasma de flujo coaxial.
• Dinámica y control del flujo de vórtice detrás de un cuerpo frontal cónico delgado mediante un par de actuadores de plasma.