La propulsión de plasma es un tema de gran interés para los astrónomos y las agencias espaciales. Como tecnología altamente avanzada que ofrece una considerable eficiencia de combustible sobre los cohetes químicos convencionales, actualmente se está utilizando en todo, desde naves espaciales y satélites hasta misiones exploratorias. Y mirando hacia el futuro, el plasma que fluye también está siendo investigado por conceptos de propulsión más avanzados, así como por fusión confinada magnética.
Sin embargo, un problema común con la propulsión por plasma es el hecho de que se basa en lo que se conoce como un "neutralizador". Este instrumento, que permite que las naves espaciales permanezcan neutrales a la carga, es un consumo adicional de energía. Afortunadamente, un equipo de investigadores de la Universidad de York y la École Polytechnique están investigando un diseño de hélice de plasma que eliminaría por completo un neutralizador.
Un estudio que detalla los resultados de su investigación, titulado "Dinámica de propagación transitoria de plasmas fluidos acelerados por campos eléctricos de radiofrecuencia", fue publicado a principios de este mes en Física de Plasmas - Una revista publicada por el Instituto Americano de Física. Dirigidos por el Dr. James Dendrick, físico del York Plasma Institute de la Universidad de York, presentan un concepto para un propulsor de plasma autorregulador.
Básicamente, los sistemas de propulsión de plasma dependen de la energía eléctrica para ionizar el gas propulsor y transformarlo en plasma (es decir, electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente). Estos iones y electrones son acelerados por las boquillas del motor para generar empuje y propulsar una nave espacial. Los ejemplos incluyen el propulsor de iones cuadriculados y de efecto Hall, los cuales son tecnologías de propulsión establecidas.
El propulsor de iones Gridden se probó por primera vez en los años 60 y 70 como parte del programa Space Electric Rocket Test (SERT). Desde entonces, ha sido utilizado por la NASA. Amanecer misión, que actualmente está explorando Ceres en el cinturón principal de asteroides. Y en el futuro, la ESA y JAXA planean usar propulsores de hierro cuadriculado para impulsar su misión BepiColombo a Mercurio.
Del mismo modo, los propulsores de efecto Hall han sido investigados desde la década de 1960 tanto por la NASA como por los programas espaciales soviéticos. Se utilizaron por primera vez como parte de la misión Pequeñas misiones de investigación avanzada en tecnología-1 (SMART-1) de la ESA. Esta misión, que se lanzó en 2003 y se estrelló contra la superficie lunar tres años después, fue la primera misión de la ESA en ir a la Luna.
Como se señaló, las naves espaciales que usan estos propulsores requieren un neutralizador para asegurarse de que permanecen "neutrales a la carga". Esto es necesario ya que los propulsores de plasma convencionales generan más partículas cargadas positivamente que las cargadas negativamente. Como tal, los neutralizadores inyectan electrones (que llevan una carga negativa) para mantener el equilibrio entre iones positivos y negativos.
Como puede sospechar, estos electrones son generados por los sistemas de energía eléctrica de la nave espacial, lo que significa que el neutralizador es un drenaje adicional de energía. La adición de este componente también significa que el propio sistema de propulsión tendrá que ser más grande y pesado. Para abordar esto, el equipo de York / École Polytechnique propuso un diseño para un propulsor de plasma que puede permanecer neutral en carga por sí solo.
Conocido como el motor Neptuno, este concepto fue demostrado por primera vez en 2014 por Dmytro Rafalskyi y Ane Aanesland, dos investigadores del Laboratorio de Física de Plasma (LPP) de la Escuela Politécnica de École y coautores del reciente artículo. Como demostraron, el concepto se basa en la tecnología utilizada para crear propulsores de iones cuadriculados, pero logra generar gases de escape que contienen cantidades comparables de iones cargados positiva y negativamente.
Como explican en el curso de su estudio:
“Su diseño se basa en el principio de la aceleración del plasma, mediante el cual la extracción coincidente de iones y electrones se logra aplicando un campo eléctrico oscilante a la óptica de aceleración cuadriculada. En los propulsores de iones de rejilla tradicionales, los iones se aceleran utilizando una fuente de voltaje designada para aplicar un campo eléctrico de corriente continua (CC) entre las rejillas de extracción. En este trabajo, se forma un voltaje de polarización automática de CC cuando la potencia de radiofrecuencia (rf) se acopla a las redes de extracción debido a la diferencia en el área de las superficies alimentadas y conectadas a tierra en contacto con el plasma ".
En resumen, el propulsor crea gases de escape que son efectivamente neutrales a la carga mediante la aplicación de ondas de radio. Esto tiene el mismo efecto de agregar un campo eléctrico al empuje, y elimina efectivamente la necesidad de un neutralizador. Como descubrió su estudio, el propulsor Neptuno también es capaz de generar un empuje comparable al de un propulsor iónico convencional.
Para avanzar aún más en la tecnología, se unieron con James Dedrick y Andrew Gibson del York Plasma Institute para estudiar cómo funcionaría el propulsor en diferentes condiciones. Con Dedrick y Gibson a bordo, comenzaron a estudiar cómo el haz de plasma podría interactuar con el espacio y si esto afectaría su carga equilibrada.
Lo que encontraron fue que el haz de escape del motor desempeñaba un papel importante en mantener el haz neutral, donde la propagación de electrones después de su introducción en las rejillas de extracción actúa para compensar la carga espacial en el haz de plasma. Como afirman en su estudio:
"La espectroscopía de emisión óptica [P] resuelta en hase se ha aplicado en combinación con mediciones eléctricas (funciones de distribución de energía de iones y electrones, corrientes de iones y electrones, y potencial de haz) para estudiar la propagación transitoria de electrones energéticos en un plasma que fluye generado por un hélice de plasma impulsada por auto-polarización. Los resultados sugieren que la propagación de electrones durante el intervalo de colapso de la vaina en las rejillas de extracción actúa para compensar la carga espacial en el haz de plasma ".
Naturalmente, también enfatizan que se necesitarán más pruebas antes de que se pueda usar un propulsor Neptuno. Pero los resultados son alentadores, ya que ofrecen la posibilidad de propulsores iónicos que son más livianos y pequeños, lo que permitiría naves espaciales aún más compactas y de bajo consumo. Para las agencias espaciales que buscan explorar el Sistema Solar (y más allá) con un presupuesto, ¡tal tecnología no es más que deseable!
