NeoFronteras

Nuevo motor iónico

Área: Espacio,Tecnología — domingo, 27 de septiembre de 2015

Un nuevo motor iónico supera las prestaciones de los motores iónicos de la NASA.

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Todos los lectores de estas páginas saben lo eficiente que puede ser el motor iónico para la propulsión espacial. Ahí está la sonda Dawn para demostrarlo. Esta sonda visitó el asteroide Vesta y luego viajó hasta Ceres en donde ha entrado en órbita.
La clave del motor iónico está en proporcionar un empuje muy pequeño pero durante mucho tiempo. La aceleración conseguida es reducida, pero si se usa durante mucho tiempo, por ejemplo años, al final se consigue una velocidad muy grande.
Este tipo de motores usa un gas, generalmente es xenón, que es ionizado. Los iones así conseguidos son acelerados por campos electromagnéticos y son expulsados a gran velocidad. Gracias a la tercera ley de Newton la nave es empujada en sentido opuesto. La energía necesaria para todo esto es proporcionada por paneles solares, pero también se podría usar un reactor nuclear. Además, a diferencia del combustible cohete de tipo químico, la cantidad de propelente gastada es muy pequeña.
Lo malo de este sistema es que no sirve para poner en órbita un satélite debido a las altas aceleraciones requeridas para ello, requerimiento que el motor iónico no puede proporcionar. Pero sí sirve para mantener satélites en la órbita correcta, para sacarlos de la órbita hacia abajo y así ser destruidos o para sacarlos de la órbita hacia arriba y que abandonen la Tierra.
Para hacernos una idea de las prestaciones que tiene el uso de un tipo de combustible determinado en un cohete en concreto se suele usar el concepto de impulso específico, que se mide en segundos. Exactamente, el impulso específico es el período en segundos durante el cual 1 kg de masa de propergol producirá un empuje de 1 kg de fuerza. Esta definición se puede aplicar igualmente a motores iónicos que no son más que motores cohetes que usan iones a muy alta velocidad en lugar de un gas caliente gran velocidad como sistema de propulsión.
Así por ejemplo, el impulso específico de la primera etapa del Saturno V era de 263 segundos, con la que el cohete ganaba 2,58 km/s.
Para el caso de motores iónicos el record lo ostenta el HIPEP de la NASA con 9600 ±200 segundos de impulso específico.
Ahora el estudiante de doctorado australiano Patrick Neumann (University of Sydney) dice haber batido este record con un motor iónico que tiene un impulso específico de 14690 ± 2000 s.
En este caso no se usa gas xenón, sino un metal sólido como magnesio, aunque también ha probado con éxito otros metales como vanadio, titanio o bismuto e incluso carbono. Basta con que el material conduzca la electricidad.
El nuevo sistema se basa en la producción de un arco eléctrico similar al que se usa en la soldadura convencional. Con este arco se arrancan iones de magnesio (el metal que mejor se ha comportado en las pruebas) de la superficie que son acelerados y lanzados hacia el exterior gracias a una tobera electromagnética.
Entre las ventajas del nuevo sistema estaría su hipotética mayor eficacia y el poder usar una gran variedad de propelentes en forma sólida que además son económicos.
De momento parece que este motor es capaz de funcionar rítmicamente de forma continua produciendo impulsos cortos y ligeros. Esto es algo necesario para misiones espaciales de larga duración no tripuladas.
¿Significa esto que se ha dado con la panacea de la propulsión espacial?, no necesariamente. Los motores iónicos de la NASA han demostrado ser capaces de funcionar durante bastantes años seguidos. Además, un ión de un gas noble es poco reactivo, pero el magnesio ionizado quizás lo sea mucho más. Hace décadas, en los primeros prototipos de este tipo de motores, se vio que partes vitales del motor se corroían rápidamente debido a la acción de los iones.
Los investigadores implicados sostienen que el nuevo motor se podría usar para estabilizar la órbita de los satélites artificiales o incluso para enviar carga hacia Marte en una posible misión tripulada al planeta rojo. El envío de la carga se haría de forma previa al viaje tripulado, tardaría años y podría depositar carga en órbita (el sistema de retorno para los astronautas) y sobre el suelo (la base marciana en la que vivirían una temporada).
¿Será este motor iónico el que finalmente se lleve el gato al agua?, no necesariamente. El motor iónico electrostático DS4G (Dual-Stage 4-Grid) sobre el cual está trabajando la ESA podría alcanzar un impulso específico 19300 segundos. Este motor de la ESA mide sólo 0,2 metros de diámetro y alcanza esas prestaciones con una alimentación de 250 kW expulsando xenón a 210 km/s. Tiene un empuje de 2,5 N.
Está limitado por la potencia de alimentación, que para esos 250 kW necesitaría de todos los paneles solares de la Estación Espacial Internacional o, de forma equivalente, 1 tonelada de plutonio-238 (las reservas de esta sustancia en EEUU eran de sólo 20 kg en 2013) si se usa en un sistema de radioisótopos de tipo Stirling. Aunque podría usar en su lugar un pesado reactor nuclear de uranio.
Bajo esta perspectiva es fácil calcular que para 1 tonelada de masa total (reactor nuclear + xenon + carga de pago) se conseguiría una aceleración de 0,0025 m/s por segundo. Asumiendo unos 11 km/s iniciales de velocidad de escape y reduciendo un viaje a Plutón a un mero cálculo cinemático sin tener en cuenta la Mecánica Celeste, con una nave así se podría alcanzar el planeta enano en (más o menos) un año, 10 meses y 12 días. Aunque el encuentro sería muy breve debido a la alta velocidad final alcanzada.

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Fuentes y referencias:
Web de neumannspace.
Imagen: Neumannspace.

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16 Comentarios

  1. tomás:

    Sobre la última frase del artículo: ¿y no podría invertirse la tobera del motor a mitad del viaje para que fuese frenando la nave y llegar con muy poca velocidad, de modo que pudiera “plutonizarse”? (¡jo, qué feo queda el palabro, sobre todo sin la l!)

  2. NeoFronteras:

    Sí, se podría hacer a costa de tardar, el menos, 4 veces más y aumentar mucho la masa de la sonda, pues no se podría hacer aerofrenado y habría que llevar combustible convencional para el aterrizaje.

  3. tomás:

    Cierto, aunque para mejorar el tiempo podría usarse algún tirón gravitacional, y en el “aterrizaje” ayudaría la escasa gravedad y quizá, con mucho cálculo y precisión, aprovecharse de la existencia de Caronte y hacerlo bajar cuando estuviesen los tres cuerpos lo más alineados posible. Supongo que influirá negativamente que su plano orbital sea tan acusado respecto a Neptuno y la eclíptica.

  4. NeoFronteras:

    En este caso el efecto de honda gravitatoria sería poco efectivo.

  5. tomás:

    ¿Poco efectivo por el excesivo ángulo de su órbita respecto a la eclíptica o por otra causa?

  6. NeoFronteras:

    La maniobra de asistencia gravitatoria necesita de una planeta grande para ser efectiva y además la situación se da en una cierta ventana temporal. De nada sirve usar Júpiter si está al otro lado Sistema Solar. Aunque se puede esperar a que se dé. Pero entonces no se ahorra tiempo.
    El aumento de velocidad tampoco es muy grande en estos casos y es mínimo comparado con la velocidad que podría llegar a alcanzar por un motor iónico.
    Una sonda dotada de esta propulsión que llegase a Plutón tampoco pod´ria usar a Caronte en este tipo de maniobra para satelizarse, pues la inercia con la que llega´ria sería tan grande que la masa del ridículo Caronte lo afectaría en casi nada a su trayectoria.

  7. tomás:

    ¡Vaya hombre! ¿Y si, cuando está al otro lado del Sol, usamos este como honda? Supongo que con esa enorme masa -sin acercarse demasiado, no le sucediese como a Ícaro- aceleraría mucho.

  8. NeoFronteras:

    Usar el Sol serviría bien para sacar la sonda del plano de la eclíptica, pero para ese viaje no hacen falta esas alforjas, pues serviría cualquier planeta.
    Pero no serviría para aumentar significativamente su velocidad. La maniobra de honda funciona bien cuando hay transferencia de momento angular orbital del planeta a la sonda. No veo claro cómo podría ser esto en el caso del Sol, habría que hacer números.
    Además está el asunto de la “chicharrina” y alta radiación que recibiría la sonda en ese caso.

  9. tomás:

    En el caso del Sol lo que se transferiría es una ínfima parte de su momento de rotación propio, no el de traslación, como en el caso de un planeta. Y al ser su masa tan enorme… El tema de la “chicharrina” supongo que podría arreglarse con un buen escudo reflectante que mantendría la sonda a la sombra . Posiblemente con eso podría acercarse más que Mercurio. Lo que pasa es que la trayectoria habría de ser prácticamente siguiendo la eclíptica, ya que el momento máximo está en el ecuador solar (a unos 7º de la eclíptica, lo que no es demasiado). Pero, tienes razón, habría que hacer números. Bueno, esa parte se la dejamos a los de la NASA.

  10. NeoFronteras:

    El Sol no puede transferir parte de ese momento angular de rotación bajo la mecánica newtoniana así como así. Desde el punto de vista de la nave la parte de la superficie del Sol que se aleja por rotación ejerce la misma fuerza de gravedad que la parte que se acerca.
    Existe un fenómeno de arrastre predicho por la RG y medido, pero es insignificante en este caso.

    En palabras llanas la honda funciona así:
    La sonda se acerca al planeta con la trayectoria adecuada y con la velocidad suficiente como para escapar. Por un tiempo se ve atraía por la gravedad del planeta y el planeta la arrastra en su órbita. Como la velocidad es superior a la de escape la nave abandona la influencia gravitatoria del planeta, pero ha ganado velocidad en una componente que es paralela al sentido de la órbita del planeta. Gana energía a costa del plantea y gana velocidad respecto al sistema de referencia de la Tierra o del Sol.
    En realidad esto se hace a partir de las ecuaciones diferenciales del movimiento de los cuerpos implicados y se calcula numéricamente en un ordenador distintas trayectorias hasta que se consigue la deseada de manera similar al método el disparo.

  11. tomás:

    Muchísimas gracias, una vez más, por tus explicaciones. Ya me temía alguna dificultad, pero había supuesto una forma de evitarla que no sé si es posible: la sonda iría hacia el Sol en una trayectoria hacia su centro -para que acelerase mucho- y, cuando se hubiese acercado lo que se considerase oportuno, unos motores modificarían su dirección a tangencial en el sentido de la rotación en las proximidades del ecuador del Sol. Pero no sé si eso es útil. Por lo que dices de la atracción simétrica, parece que no.
    De todas formas, repito, muchas gracias. Al menos, me has enseñado algo; más que algo, bastante: se cumple la función de Neofronteras: alguno más, y yo, aprendemos; tu, fiel a tu loable afición, enseñas.
    Un fuerte abrazo.

  12. NeoFronteras:

    Sin asimetría gravitacional no es posible el efecto honda. Pero sí se puede usar otro tipo de asimetría. Se envía la sonda hacia el Sol y justo lo abandona se despliegan una velas solares y la presión de la luz y del viento solar (que allí son muy intensos) empujan la nave.

  13. tomás:

    Muy interesante tu idea. Eso daría resultado por fuerza.

    Aparte de eso, dijiste que en el Sol no es posible el efecto honda y estoy de acuerdo, pero eso es por simetría. Como explicaste, la parte de atrás atrae tanto como la de delante (comentario 10, párrafo 1). Quizá no interpreto bien, de tu 12, la frase: “Sin asimetría gravitacional no es posible el efecto honda”. Seguramente te refieres a cuando se utiliza un planeta. Pero, entonces, no sé por qué lo mencionas, pues ya tenía asimilado que la velocidad que adquiere la sonda es a costa del momento orbital, no de su rotación.

  14. NeoFronteras:

    Efectivamente, en la maniobra de asistencia gravitatoria la energía y momento pasa de la energía y momento orbitales que tiene el planeta a la sonda. Aunque a veces se puede hacer al revés para perder energía y velocidad, algo que interesa cuando queremos ir a Mercurio, por ejemplo. Las maniobras de este tipo son asimétricas.
    Es como lanzar un pelota a un tren en movimiento. Respecto al suelo y suponiendo un choque elástico, la pelota puede ganar velocidad si el ángulo contra el que choca el tren es el adecuado. Para el maquinista la pelota no gana velocidad y sólo observa un cambio de dirección de la misma.
    En el caso del Sol se tiene un sistema simétrico en el que el Sol hace de sistema de referencia y sobre él se miden las velocidades, al fin y al cabo queremos explorar los planetas del Sistema Solar. Si usamos al Sol en una maniobra de asistencia gravitatoria no se gana velocidad respecto a él, entre otras cosas porque las medimos respecto a él.
    Para usar el Sol tenemos que romper esa simetría de algún modo. Una manera es la vela solar. Otra sería que una civilización extraterrestre lanzara una nave hacia el Sol para aprovechar la órbita del Sol alrededor de la galaxia. Para nosotros, como para el maquinista, esa nave entraría y saldría casi con la misma velocidad (aunque cambiando su trayectoria), pero según el centro galáctico (o el planeta de esa civilización) ganaría o perdería velocidad según se deseara.

  15. radek:

    Sería posible que cuando se consigan producir nanotubos de carbono en masa este tema del frenado en planetas sin atmósfera como Plutón se solucione con algo tan simple como lanzar un “ancla” a la superficie?

  16. NeoFronteras:

    No creo que un ancla de nanotubos resultase, principalmente porque las desacelaraciones no las aguantaría ni la nave ni el ancha ni la cadena que los una, además del peso excesivo de todo el sistema.
    Sin embargo, Robert L. Forward sugirió en su novela “Camelot 30 K” un sistema mediante el cual se podría viajar de la Tierra al cinturón de Kuiper denominado “cable catapulta” (sobre el que no da muchos detalles) que quizás es concebible que se pudiera hacer con nanotubos de carbono.

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