Propulsor iónico para niños
Un propulsor iónico o motor iónico es un tipo especial de motor que se usa en el espacio para mover naves. Funciona lanzando un chorro de partículas muy pequeñas llamadas iones. Los iones son átomos o moléculas que tienen una carga eléctrica.
La forma en que se aceleran estos iones puede cambiar, pero todos los diseños aprovechan que los iones tienen carga y masa. Esto permite impulsarlos a velocidades muy, muy altas usando un campo eléctrico. Gracias a esto, los propulsores iónicos son muy eficientes con el combustible. Necesitan poca cantidad de masa para funcionar, pero sí requieren bastante potencia eléctrica.
Los motores iónicos pueden usar el combustible de manera mucho más eficiente que los cohetes tradicionales. Sin embargo, su aceleración es muy suave y lenta.
La idea de los propulsores iónicos viene de los conceptos que desarrolló el físico Hermann Oberth en 1929. El primer motor iónico, llamado propulsor iónico Kaufman, fue creado en los años 1960 por Harold R. Kaufman para la NASA.
Contenido
- ¿Qué tipos de propulsores iónicos existen?
- ¿Cómo funciona un propulsor iónico?
- ¿Cuánta energía necesita un propulsor iónico?
- ¿Qué fuerza de empuje tienen?
- ¿Cuánto tiempo duran?
- Misiones espaciales con propulsores iónicos
- Avances en los propulsores iónicos
- Comparación de eficiencia de diferentes tecnologías
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Qué tipos de propulsores iónicos existen?
Hay varios tipos de motores iónicos que se están desarrollando. Algunos ya se usan en naves espaciales, mientras que otros aún están en fase de prueba. Algunos de ellos son:
- Propulsor coloidal
- Propulsor iónico electrostático
- FEEP
- Propulsor a efecto Hall (HET)
- Propulsor helicoidal de doble capa (HDLT)
- Propulsor inductivo pulsante (PIT)
- Propulsor magnetoplasmadinámico (MPD)
- Motor de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR)
¿Cómo funciona un propulsor iónico?
En su forma más simple, un propulsor iónico electrostático funciona así: Los átomos de gases como el argón, el mercurio o el xenón se convierten en iones. Esto se logra exponiéndolos a electrones que vienen de un cátodo. Una vez que son iones, se aceleran al pasar por unas rejillas que tienen carga eléctrica.
También se lanzan electrones hacia el chorro de iones que sale del propulsor. Esto es importante para que la nave espacial y el chorro de iones se mantengan eléctricamente neutros. La aceleración usa muy poca masa, lo que los hace muy eficientes. Al principio, en los años 70 y 80, se usaba cesio, pero se descubrió que dañaba las rejillas. Por eso, ahora se usan principalmente gases nobles.
¿Cuánta energía necesita un propulsor iónico?
Un factor clave es la cantidad de energía que se necesita para que el propulsor funcione. Parte de esa energía se usa para convertir los materiales en iones. Pero la mayor parte se usa para acelerar los iones a velocidades muy altas.
Las velocidades de salida de los iones suelen ser de 30.000 m/s. Esto es mucho más rápido que los 3.000 a 4.500 m/s que alcanzan los cohetes normales. Esta alta velocidad también ayuda a reducir la cantidad de combustible que se necesita.
En los motores iónicos, mucha energía se pierde al lanzar los iones a velocidades tan altas. Esto afecta la fuerza de empuje que pueden generar. Por eso, si quieres más empuje, necesitas mucha más energía. Por ejemplo, para aumentar la velocidad de los iones diez veces, necesitarías cien veces más energía. Esto significa que hay un equilibrio entre la eficiencia del combustible y la fuerza de empuje.
Un propulsor iónico podría diseñarse para alcanzar una velocidad cercana a la velocidad de la luz. Esto le daría una eficiencia increíble, pero el empuje sería casi nulo.
La velocidad de los iones acelerados en un campo eléctrico se puede calcular con esta fórmula:
Donde 
es la velocidad del ion,
es la carga del ion,
es la masa del ion y
es la diferencia de potencial del campo eléctrico.
¿Qué fuerza de empuje tienen?
Las fuentes de energía actuales pueden dar algunas decenas de kilovatios. Esto permite que los propulsores iónicos generen una fuerza muy pequeña, de décimas o centésimas de un newton. Para que te hagas una idea, la fuerza que ejerce este motor es parecida a la que hace una hoja de papel sobre la palma de tu mano.
Esto significa que su velocidad inicial es muy pequeña. Pero como en el espacio no hay fricción, pueden seguir acelerando durante mucho tiempo. Así, pueden alcanzar velocidades muy grandes. Hoy en día, estos motores se usan en satélites para mantener su órbita.
¿Cuánto tiempo duran?
Como el empuje es bajo, la duración del propulsor iónico es muy importante. Estos motores pueden funcionar durante mucho tiempo. Esto permite que la pequeña aceleración vaya sumando velocidad hasta alcanzar una velocidad útil.
En el diseño más simple, el propulsor iónico electrostático, los iones a veces chocan con las rejillas. Esto las desgasta y, con el tiempo, puede causar una avería. Si las rejillas son más pequeñas, hay menos posibilidades de estas colisiones. Pero esto también reduce la cantidad de iones que pueden manejar, lo que disminuye el empuje.
Misiones espaciales con propulsores iónicos
Los motores iónicos son muy adecuados para misiones entre planetas y para mover satélites en órbita. Son la mejor opción para misiones que necesitan un gran cambio de velocidad y tienen mucho tiempo para lograrlo.
SERT
La primera nave espacial que usó esta tecnología fue la SERT I. Fue lanzada el 20 de julio de 1964. Después, la SERT II se lanzó el 3 de febrero de 1970.
Deep Space 1
La NASA creó un propulsor iónico llamado NSTAR para misiones interplanetarias. Este propulsor se probó en la sonda espacial Deep Space 1, lanzada en 1998. La empresa Hughes había desarrollado el Sistema de Propulsión Iónica de Xenón (XIPS) para mantener en órbita a los satélites geoestacionarios.
SMART 1
Durante décadas, un país usó un propulsor de efecto Hall para mantener la órbita de su estación espacial MIR.
La Agencia Espacial Europea usó el mismo tipo de motor en su sonda SMART-1, lanzada en 2003. La sonda terminó su misión el 3 de septiembre de 2006, chocando de forma controlada con la superficie de la Luna.
Artemis
El 12 de julio de 2001, la Agencia Espacial Europea tuvo un problema al lanzar el satélite de comunicaciones Artemis. No alcanzó la órbita correcta. El satélite tenía suficiente combustible para moverse a una órbita semiestable. Durante los siguientes 18 meses, se usó su sistema de propulsión iónica para llevarlo a una órbita geostacionaria.
Hayabusa
La sonda Hayabusa de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial se lanzó en 2003. Se acercó con éxito al asteroide (25143) Itokawa y estuvo allí varios meses recogiendo muestras e información. Esta sonda usaba cuatro motores iónicos de xenón. Tenía una rejilla hecha de un material especial que resiste el desgaste.
Dawn
La sonda Dawn se lanzó el 27 de septiembre de 2007. Su misión era explorar el asteroide Vesta (al que llegó en 2011) y el planeta enano Ceres (al que llegó en 2015). Para llegar a sus destinos, usó tres motores iónicos, que eran una mejora de los de la Deep Space 1. La sonda terminó su misión el 1 de noviembre de 2018.
GOCE
El 17 de marzo de 2009, la Agencia Espacial Europea lanzó su satélite GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). Este satélite usa un propulsor de iones para compensar el roce con la atmósfera. Esto es necesario porque orbita a una altura muy baja.
AEHF-1
El satélite militar estadounidense AEHF-1, lanzado en 2010, también usa propulsión iónica para mantenerse en órbita terrestre. Al igual que el satélite europeo Artemis, emplea un propulsor de efecto Hall.
DART
El 24 de noviembre de 2021, la NASA lanzó la sonda DART. Esta misión espacial busca probar un método de defensa planetaria contra objetos cercanos a la Tierra. La sonda chocará a propósito contra el asteroide binario 65803 Didymos. El objetivo es ver si la energía del impacto puede desviar un asteroide que se dirija a la Tierra. La sonda DART también lleva un motor iónico avanzado llamado NEXT-C, que ayuda a reducir el tiempo de viaje. Es la primera vez que se usa este motor, que puede variar su empuje.
Avances en los propulsores iónicos
En 2003, la NASA probó en tierra una nueva versión de su propulsor iónico llamada HiPEP (High Power Electric Propulsion). Este propulsor es diferente porque los iones de xenón se crean usando una combinación de energía de microondas y campos magnéticos.
La ionización se logra con un proceso llamado resonancia electrón ciclotrón (ECR). En este proceso, se aplica un campo magnético uniforme en una cámara con gas xenón. Hay electrones libres que giran alrededor de las líneas del campo magnético a una frecuencia específica. Cuando se aplica radiación de microondas a la misma frecuencia, los electrones reciben energía. Luego, estos electrones chocan con más átomos de xenón y los convierten en iones. Este método es muy eficiente para crear un plasma en gases poco densos. Se había planeado usar el HiPEP en una misión a las lunas heladas de Júpiter, pero esa misión se canceló en 2005.
También se han estudiado otros tipos de combustible para los motores iónicos. Se ha investigado el uso de fulerenos, como el C60. Esto se debe a que son más grandes y pueden ser más eficientes que los diseños que usan xenón, especialmente para eficiencias más bajas.
Comparación de eficiencia de diferentes tecnologías
| Motor | Velocidad de escape efectiva (m/s) |
Impulso específico (s) |
Escape de la energía específica (MJ/kg) |
|---|---|---|---|
| Motor a reacción Turbofan (velocidad actual es ~300 m/s) |
29 000 | 3000 | ~0.05 |
| Cohete Acelerador Sólido del Transbordador Espacial |
2500 | 250 | 3 |
| Oxígeno líquido-hidrógeno líquido |
4400 | 450 | 9.7 |
| Propulsor iónico | 29 000 | 3000 | 430 |
| VASIMR | 30 000-120 000 | 3000-12.000 | 1400 |
| Propulsor de iones de cuadrícula de doble etapa | 210 000 | 21 400 | 22 500 |
Galería de imágenes
-
Esquema de un motor iónico
Véase también
En inglés: Ion thruster Facts for Kids
