Cuenta la leyenda que el Titan, Prometeus, robó el fuego de los dioses del Olimpo para darselos al hombre...en represalia Zeus lo castigo por Eones, hasta que el semidios Hercules, lo libero de su penitencia.
Pues bien, si hay una tecnología en la actualidad de este siglo XXI, entregada a la Humanidad para expandirnos por nuestro Mare Nostrum, o mejor conocido como Sistema Solar, es la tecnología iónica...que tiene su origen casi desde los albores de la astronáutica, y goza de varias variantes, que veremos en este post.
La Luz de las Estrellas...
Como funciona un motor iónico:
Un sistema extremadamente eficiente.
Los motores íónicos ya fueron comentados en su momento por los pioneros de la astronáutica como por el ruso Tsiolkovsky, o por el alemán Oberth. Pero no sería hasta la década del 60 cuando Harold R. Kaufman, empezo los primeros trabajos para un satélite con está propulsión iónica.
SERT-1 el primer satélite con tecnología iónica.
Luego tanto en USA, como en la URSS se estuvo investigando los motores íónicos de efecto Hall, basados en los descubrimientos de Edwin Hall.
Motor de efecto Hall, basado en Xenón.
La motores iónicos, se alimentan en su mayoría de gases nobles, como argón, xenón, kryptón, etc, aunque otros se alimentan de componentes como el zinc, magnesio, etc.
La luz diferente que emiten estos gases nobles.
Algunos funcionan con gases nobles tan caros como el Helio o el Xenón, otros con mucho más baratos como el Kryptón. La cuestión es encontrar un equilibrió, entre durabilidad del motor, ISP y costo del propelente.
Para hacernos una idea de lo revolucionarío que son estos motores en cuanto a ISP, en comparación con la propulsión química de motores cohetes. El mejor motor cohete en cuanto a ISP y que no utilice propelentes extremadamente nocivos para nuestra atsmósfera, como podrían ser algunos que se estudiarón al principió de la astronáutica, que llevaban HF, y que daban altos ISP pero erán extremadamente tóxicos. Bien, pues el propelente más eficiente en cuanto ISP es el Hidrógeno más Oxígeno Líquido, que alcalza en motores cohetes a nível del mar, es de 450 de ISP como el motor de Aerojet Rocketdyne, el RS-25.
El motor químico con mejor ISP de la actualidad a nivel del Mar, el RS-25.
Y digo al nível del Mar, pues para motores en el vacío del espacio, el RL-10 también de Aerojet, que como no, es de Hidrógeno y Oxígeno Líquido, supera en ISP un poco al RS-25. Estos motores criógenicos están al límite de lo que se puede conseguir con motores de cohetes en la actualidad, y de hecho, ante la revolución de motores de Methalox, o lo que es lo mismo, Metano y Oxígeno Líquido, que tiene un menor ISP pero son más fáciles de reutilizar y tienen varias ventajas más, que es lo que ha llevado a varias compañías de cohetes a apostar por ello, entre ellas a SpaceX con sus motores Raptors y Blue Origin y sus BE-4.
Pues bien, ante los 450 de ISP del motor RS-25, hoy los motores iónicos de diferentes tipos alcanzan ISP, de 4.000 veces, incluso algunos de 12.500!!! de ISP como el VASIMR. Pero es que además los motores iónicos como los que está desarrollando la ESA, de Dual-Stage 4-Grid, pueden llegar hasta unos ISP, de 21.400!!!
¿Entonces por qué no se usan más estos motores hoy en día?
En realidad SI, se usan y mucho, y cada vez más en satélites de comunicaciones en GEO y LEO, y para sondas de largas distancias como la Deep Space, la Dawn que viajó hasta Ceres, o la futura sonda Psyche que se lanzará este año y que nos llevará hasta un núcleo planetario metálico.
Principalmente utilizando energía solar mediante páneles solares para producir la eléctricidad que necesitan estos motores iónicos para funcionar, como se suele conocer está propulsión en inglés SEP o Solar Electric Propulsion.
El problema de los mótores iónicos son DOS:
Uno y el principal, es que muchos tipos de motores iónicos entre más ISP tienen, producen menos empuje, esto quiere decir apenas pueden mover masa (aceleración muy baja en comparación potencia-masa) , y además necesitan de mucho tiempo para alcanzar esas velocidades de ISP tan espectaculares.
Dos, entre mayor es el ISP y la potencia de empuje de motores iónicos más capaces como los de efecto Hall, o el prometedor VASIMR, necesitan mucha eléctricidad para alimentarse. Por lo tanto necesitan más páneles solares para ello, produciendo que la nave lleve más peso-masa y entonces necesita más motores iónicos para moverla, lo que hace que necesite más páneles solares para ellos, etc, creando un círculo vicioso nada productivo.
¿La solución?
La propulsión eléctrica Nuclear espacial, o NEP en inglés. Básicamente pequeños reactores espaciales de fisión (aunque a futuro lo ideal es que fueran de fusión nuclear) que alimentarían estos motores íonicos de gran potencia y altos ISP.
Ya la NASA a príncipios de siglo, estudió este concepto para enviar sondas a grandes distancias y que fueran muy pesadas, como el proyecto JIMO.
JIMO en Júpiter llevando sondas muy pesadas.
Hoy en día, la NASA a través del programa Artemis, para que creemos una base Lunar en la próxima década está preparando el proyecto de reactor nuclear espacial, Kilopower.
Pues bien, estos reactores son especiales para motores como el X3 de Aerojet Rocketdyne, que promete revolucionar la forma en que nos movamos por el espacio en los próximos lustros.
Como funciona un motor de efecto Hall.
X3 en funcionamiento a baja potencia.
Otro motor que está en desarrollo y promete ser revolucionarío es el VASIMR, que ya tiene varios prototipos en marcha.
VASIMR, esquema.
Uno de los problemas con estos grandes y potentes motores iónicos, es que necesitan ser probados en cámaras de vacío aquí en la tierra lo suficientemente grande para comprobar sus resultados y estas no abundan precisamente. La otra opción es problarlos en la ISS, pero eso es mucho más cóstoso y de momento no se ha hecho.
Sea como sea, estamos ante una de las mayores revoluciones de la Astronáutica verá en este siglo, que está sucediendo YA mismo, ante nosotros y que nos abrirá de par en par las puertas a nuestro Sistema Solar.
Para quién quierá investigar más sobre estos motores iónicos, les dejo todos estos documentos y enlaces que he ido recopilando con el tiempo.
Motores iónicos convenciones, cada vez aumentan más su ISP, esto es perfecto para misiones de grandes duraciones en el espacio y que requieran mucho DV...
https://en.wikipedia.org/wiki/Dual-Stage_4-Grid
Motores de efecto HALL, con gran ISP, pero a la vez, con empuje por Kg, como el motor X3 que es una revolución en marcha en la actualidad...
The state-of-the-art AEPS Hall thruster operated at 12.5 kilowatts (kW) as part of its final conditioning sequence during testing at the Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California. The thruster demonstrated stable operation at power levels ranging from 4.2 kW to 12.5 kW. Full electric propulsion thruster string integration will take place early next year.
Graham said ESA is one of QinetiQ’s biggest customers. Science missions represent the next best opportunity for QinetiQ to sell more of the T6 thrusters used on BepiColombo, but the company is also assessing commercial use cases, he said.
El NEXT-C son 6.9 kW y un empuje de 236 milinewton. (Como siempre me gusta compararlo todo con el AEPS, éste tiene 600 milinewtons de empuje y 12.5 kW, aunque al final el motor consume 13.3 kW, entre pitos y flautas)
Each ID-500 is designed to throttle from 375-750 mN of thrust, varying both propellant flow rate and ionization chamber pressure. The projected exhaust velocity of the engine is 70,000 m/s (7000 s isp), making it an attractive option for the types of orbit-altering, long duration missions that the TEM is expected to undertake.
Creo que desconoces el ДВИГАТЕЛЬ ИД-500 (motor de empuje ionico 500), con sus 35 kW de poder, 725 mN de empuje y 7.000 s de i.p.
Gran rendimiento del Next-C...
Motores iónicos de la ISRO...
250 mili newtons...
https://www.mdpi.com/2226-4310/7/9/120/pdf
http://www.cgwic.com/news/2019/20190617.html
El nuevo DFH-3E es una plataforma small-GEO con propulsión totalmente eléctrica y con una carga útil de tecnología madura. Esta plataforma pesa alrededor de 1.300 kilogramos con una masa de carga útil de 300-450 kilogramos. La potencia de carga útil es de 3-4 kilovatios y su vida útil es de 15 años.
DESTINY + está equipado con cuatro motores de iones μ10 patentados por ISAS instalados en Hayabusa y Hayabusa 2, y opera cuatro al mismo tiempo. Una sonda con una masa húmeda de 480 kg tiene un empuje de 40 mN y un empuje de 4 km / so más.
Interesantísimo y sumamente didáctico. No sabía que la idea original viniese de tan atrás. Y muy generoso por tu parte proporcionar todos esos enlaces, fruto sin duda de mucho tiempo de estudio.
Primero Geoff007, me alegro mucho de verte por aquí, segundo me pones colorado jeejej...gracias por el cumplido.
Pues si después de la Luna que será para la próxima década tener una base permanente, tocará Marte y luego la Nasa ya tiene planes para Ceres y Callisto...
Veremos...
No sé si la división militar de USA del espacio, tienen tanto presupuesto comparada a la NASA, pero si que cada vez tiene más, para muestra la Space Force...
#5
27/05/22 06:52
Bravo!!!! Me atrevería a decir que este es el mejor post de la Historia de Rankia en temas no financieros (que sí lo es, pero no directamente). Esto es lo que se llama "un home run por las 4 esquinas"!!!!
Las personas no se dan cuenta, pero casi todo lo que disfrutamos hoy es cortesía de la exploración espacial. Solo la NASA ha dado 20 mil inventos cruciales para la humanidad. A eso añadan las agencias de Europa, Japón, China, Rusia etc Y verán la grandeza de la exploración espacial. En el caso de la NASA, por cada $1 dólar invertido, se ha ganado $20 en promedio!! Es la mejor inversión del mundo.
También es un asunto de supervivencia. La extinción de las especies es la norma, y las personas creen que nosotros no estamos destinados a desaparecer como especie. La realidad es que en algún punto de nuestra historia vamos a desaparecer si o si, es inevitable. Ya sea por la expansión del sol, un meteoro, una guerra o simplemente el curso natural de las especies, todos vamos a desaparecer Y la ÚNICA forma de preservar la especie humana es saliendo del planeta! No hay otra alternativa.
Lo terrible es que si dedicamos más presupuesto a la exploración espacial, hace rato estaremos en Marte o quizás en Europa (Júpiter) o en Enceladus o sabrá Dios donde más. Nada es imposible para el hombre, absolutamente NADA!!!
No se si es cierto, pero he leído que la agencia espacial militar tiene un presupuesto no público que es 20 veces el de la NASA, lo cual me parece terrible. De hecho, varios ejecutivos de Lockheed Martin (el más poderoso contratista militar del mundo) han dicho que tenemos tecnología que están 100 años en avances y que por política no pueden ni hablar ni salir a la luz. Y eso es una pena enorme que sea así (de ser así, claro está).
Bueno yo creo que para lugares como Marte, para cargueros que vayan a poca velocidad la SEP, es más que valida...ahora para naves tripuladas la NEP me parece que se impondrá...
