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. [2]
Imagen: Neumannspace.