Imagen artística de una nave espacial impulsada por propulsión eléctrica.(Crédito de la imagen: NASA)
Las naves espaciales propulsadas por propulsión eléctrica pronto podrían estar mejor protegidas contra sus propios gases de escape, gracias a nuevas simulaciones en superordenador.
La propulsión eléctrica es una alternativa más eficaz a los cohetes químicos tradicionales y se utiliza cada vez más en las misiones espaciales. Empezó con prototipos en el Deep Space 1 de la NASA y el SMART-1 de la Agencia Espacial Europea en 1998 y 2003, respectivamente, y posteriormente se ha utilizado en misiones científicas emblemáticas como las misiones Dawn y Psyche de la NASA al cinturón de asteroides. Incluso hay planes para utilizar la propulsión eléctrica en la estación espacial Lunar Gateway de la NASA.
La idea que subyace a la propulsión eléctrica es que una corriente eléctrica ioniza (es decir, quita un electrón) los átomos de un gas neutro, como el xenón o el criptón, almacenados a bordo de una nave espacial. El proceso de ionización produce una nube de iones y electrones. A continuación, un principio llamado efecto Hall genera un campo eléctrico que acelera los iones y electrones y los canaliza en un característico penacho azul que emerge de la nave espacial a más de 37.000 mph (60.000 kph). De ahí que un sistema de propulsión eléctrica se denomine también motor iónico.
Según la tercera ley del movimiento de Isaac Newton, toda acción tiene una reacción igual y opuesta. El penacho de iones que sale de la nave actúa como un propulsor. Sin embargo, se tarda un poco en generar impulso porque, a pesar de moverse a gran velocidad, el penacho de iones es bastante disperso. El impulso generado no es tan inmediato como el de un cohete químico, pero los motores iónicos requieren menos combustible y, por tanto, menos masa, lo que reduce los costes de lanzamiento, y los motores iónicos no gastan todo su combustible tan rápidamente como los cohetes químicos.
Un Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica sometido a pruebas en el Centro de Investigación Glenn de la NASA. (Crédito de la imagen: NASA/Jef Janis)La energía de los campos electromagnéticos suele proceder de paneles solares, por lo que a veces se habla de propulsión eléctrica solar. Pero para las misiones más alejadas del Sol, donde la luz solar es más débil, también puede utilizarse energía nuclear en forma de generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) para impulsar la propulsión eléctrica.
Aunque la propulsión eléctrica está madurando y se utiliza en diversas misiones, no es una tecnología perfecta. Uno de los problemas es que el penacho de iones puede dañar la nave. Aunque el penacho apunte en dirección opuesta a la sonda, los electrones que contiene pueden desviarse, desplazarse en sentido contrario al de la trayectoria del penacho e impactar contra la nave, dañando los paneles solares, las antenas de comunicación y cualquier otro componente expuesto. Basta decir que esto no es bueno para la sonda.
«Para misiones que podrían durar años, los propulsores [de propulsión eléctrica] deben funcionar sin problemas y de forma constante durante largos periodos de tiempo», afirma en un comunicado Chen Cui, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia.
Antes de poner en marcha soluciones para proteger una nave espacial de estos electrones retrodispersados, primero hay que comprender su comportamiento en una pluma de motor iónico, que es donde entran Cui y Joseph Wang, de la Universidad del Sur de California. Han realizado simulaciones por superordenador del escape de un motor iónico, modelando el comportamiento termodinámico de los electrones y cómo afectan a las características generales del penacho.
«Estas partículas pueden ser pequeñas, pero su movimiento y su energía desempeñan un papel importante en la determinación de la dinámica macroscópica del penacho emitido por el propulsor de propulsión eléctrica», afirma Cui.
Lo que descubrieron Cui y Wang fue que los electrones del penacho se comportan de forma diferente en función de su temperatura y su velocidad.
«Los electrones son muy parecidos a canicas empaquetadas en un tubo», dijo Cui. «Dentro del haz, los electrones están calientes y se mueven rápido. Su temperatura no varía mucho si se recorre la dirección del haz. Sin embargo, si las ‘canicas’ salen rodando desde el centro del tubo, empiezan a enfriarse. Este enfriamiento se produce más en una determinada dirección, la perpendicular a la dirección del haz.»
En otras palabras, los electrones del núcleo del haz que se mueven más rápido tienen una temperatura más o menos constante, pero los del exterior se enfrían más rápido, se ralentizan y salen del haz, pudiendo ser retrodispersados e impactar contra la nave espacial.
Ahora que los científicos comprenden mejor el comportamiento de los electrones en el penacho de iones, pueden incorporarlo a los diseños de futuros motores de propulsión eléctrica, buscando formas de limitar la retrodispersión, o quizás confinar más los electrones al núcleo del haz. En última instancia, esto podría ayudar a las misiones impulsadas por propulsión eléctrica a volar más lejos y durante más tiempo, empujadas por la suave brisa azul de su penacho de iones.
