Cohete magnetoplasmático de impulso específico variable

A diferencia de los procesos típicos de calentamiento por resonancia ciclotrónica , los iones VASIMR son expulsados ​​inmediatamente de la boquilla magnética antes de alcanzar una distribución termalizada . Basándose en un novedoso trabajo teórico de 2004 realizado por Alexey V. Arefiev y Boris Breizman de la Universidad de Texas en Austin , prácticamente toda la energía de la onda ciclotrónica de iones se transfiere uniformemente al plasma ionizado en un proceso de absorción ciclotrónica de paso único. Esto permite que los iones salgan de la boquilla magnética con una distribución de energía muy estrecha y que la disposición de los imanes en el motor sea significativamente más compacta y simplificada. ^{[ 4 ]}

VASIMR no utiliza electrodos; en su lugar, protege magnéticamente el plasma de la mayoría de los componentes, eliminando así la erosión de los electrodos, una de las principales causas de desgaste en los motores iónicos. ^{[ 7 ]} En comparación con los motores de cohete tradicionales, que cuentan con sistemas de tuberías muy complejos, válvulas de alto rendimiento, actuadores y turbobombas, VASIMR prácticamente no tiene piezas móviles (salvo algunas menores, como las válvulas de gas), lo que maximiza su durabilidad a largo plazo. ^{[ 8 ]}

Según Ad Astra, en 2015, el motor VX-200 requería 200  kW de potencia eléctrica para producir 5 N de empuje, o 40  kW/N. ^{[ 6 ]} En contraste, el propulsor iónico convencional NEXT produce 0,327 N con solo 7,7  kW, o 24  kW/N. ^{[ 6 ]} Eléctricamente hablando, NEXT es casi el doble de eficiente y completó con éxito una prueba de 48 000 horas (5,5 años) en diciembre de 2009. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

También surgen nuevos problemas con VASIMR, como la interacción con campos magnéticos intensos y la gestión térmica. La ineficiencia con la que opera VASIMR genera un calor residual considerable que debe disiparse sin provocar sobrecarga ni estrés térmico. Los electroimanes superconductores necesarios para contener el plasma caliente generan campos magnéticos del orden de los teslas ^{[ 11 ]} que pueden causar problemas con otros dispositivos a bordo y producir un par no deseado por interacción con la magnetosfera . Para contrarrestar este último efecto, se pueden empaquetar dos unidades de propulsión con campos magnéticos orientados en direcciones opuestas, creando un cuadrupolo magnético de par cero neto . ^{[ 12 ]}

En 1998, se realizó el primer experimento de plasma helicoidal en el ASPL . El experimento VASIMR 10 (VX-10) en 1998 logró una descarga de plasma de RF helicoidal de hasta 10  kW y el VX-25 en 2002 de hasta 25  kW. Para 2005, el progreso en el ASPL incluyó la producción de plasma completa y eficiente y la aceleración de los iones de plasma con el VX-50 de 50  kW, 0,5 newtons (0,1 lbf) de empuje. ^{[ 4 ]} Los datos publicados sobre el VX-50 de 50 kW mostraron que la eficiencia eléctrica era del 59% basada en una eficiencia de acoplamiento del 90% y una eficiencia de aumento de velocidad de iones del 65%. ^{[ 15 ]}  

El experimento VASIMR de 100 kilovatios se llevó a cabo con éxito en 2007 y demostró una producción de plasma eficiente con un costo de ionización inferior a 100  eV. ^{[ 16 ]} La producción de plasma del VX-100 triplicó el récord anterior del VX-50. ^{[ 16 ]}

Se esperaba que el VX-100 tuviera una eficiencia de aumento de velocidad de iones del 80%, pero no pudo alcanzar esta eficiencia debido a las pérdidas por la conversión de corriente eléctrica CC a energía de radiofrecuencia y el equipo auxiliar para el imán superconductor. ^{[ 15 ] [ 17 ]} En contraste, los diseños de motores iónicos de última generación y probados de 2009, como el High Power Electric Propulsion (HiPEP) de la NASA, operaban con una eficiencia energética total del 80% del propulsor/ PPU . ^{[ 18 ]}

El 24 de octubre de 2008, la empresa anunció en un comunicado de prensa que el componente de generación de plasma helicoidal del  motor VX-200 de 200 kW había alcanzado su estado operativo. La tecnología clave, el procesamiento de potencia de radiofrecuencia de CC de estado sólido, alcanzó una eficiencia del 98 %. La descarga helicoidal utilizó 30  kW de ondas de radio para convertir el gas argón en plasma. Los 170  kW restantes se destinaron a la aceleración del plasma en la segunda parte del motor, mediante calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones. ^{[ 19 ]}

Según los datos de las pruebas del VX-100, ^{[ 11 ]} se esperaba que, si alguna vez se descubrieran superconductores a temperatura ambiente, el motor VX-200 tendría una eficiencia del sistema del 60-65% y un nivel de empuje potencial de 5  N. El impulso específico óptimo parecía estar en torno a 5000  s utilizando propulsor de argón de bajo coste. Uno de los problemas que aún no se habían probado era si el plasma caliente se desprendía realmente del cohete. Otro problema era la gestión del calor residual. Alrededor del 60% de la energía de entrada se convertía en energía cinética útil. Gran parte del 40% restante son ionizaciones secundarias del plasma que cruza las líneas del campo magnético y la divergencia de los gases de escape. Una parte significativa de ese 40% era calor residual (véase eficiencia de conversión de energía ). Gestionar y disipar ese calor residual es fundamental. ^{[ 20 ]}

Entre abril y septiembre de 2009,  se realizaron pruebas de 200 kW en el prototipo VX-200 con imanes superconductores de 2 teslas que se alimentan por separado y no se tienen en cuenta en ningún cálculo de "eficiencia". ^{[ 21 ]} Durante noviembre de 2010, se realizaron pruebas de disparo de larga duración y máxima potencia, alcanzando un funcionamiento en estado estacionario durante 25 segundos y validando las características básicas del diseño. ^{[ 22 ]}

Los resultados presentados en enero de 2011 confirmaron que el punto de diseño para una eficiencia óptima en el VX-200 es  una velocidad de escape de 50 km/s, o un I _sp de 5000  s. El  VX-200 de 200 kW había realizado más de 10 000 encendidos del motor con propulsor de argón a plena potencia para 2013, demostrando una eficiencia del propulsor superior al 70 % en relación con la potencia de entrada de RF. ^{[ 23 ]}

Para llevar a cabo un hipotético viaje tripulado a Marte en 39 días, ^{[ 34 ]} el VASIMR requeriría un nivel de energía eléctrica muy alto.

Además, cualquier tecnología de generación de energía producirá calor residual. El reactor necesario de 200 megavatios , con una relación potencia-masa de 1000 vatios por kilogramo , requeriría radiadores extremadamente eficientes para evitar la necesidad de radiadores del tamaño de campos de fútbol. ^{[ 35 ]}

• Propulsor de doble capa Helicon
• propulsor magnetoplasmadinámico
• Propulsor de extracción de campo de nanopartículas
• propulsor de plasma pulsado

• Proyecto Prometeo
• Motor de fisión seguro y asequible
• Sistemas para energía auxiliar nuclear
• reactor nuclear TOPAZ

• Cohete magnetoplasmático de impulso variable y específico (Informe técnico)
• Laboratorio Avanzado de Propulsión Espacial: VASIMR. Archivado el 2 de febrero de 2015 en Wayback Machine .
• Sistemas de propulsión del futuro. Archivado el 10 de febrero de 2015 en Wayback Machine .