La nave SMART-1, de la Agencia Espacial
Europea, entró en la zona de predominio de la gravedad lunar el 15 de Noviembre
de 2004. Catorce meses antes fue colocada en órbita terrestre por un lanzador
convencional Ariane-5, y desde entonces ha viajado hacia la Luna impulsada por
su motor iónico. Actualmente, este mismo motor la está frenando
lentamente para situarla en una órbita lunar baja, en la que desarrollará su
misión científica.
Durante todo ese tiempo (cerca de año y medio), el motor
iónico ha funcionado de forma casi continua, aunque con un empuje muy débil. La
inmensa ventaja de este sistema de propulsión es que puede mantenerse durante
un tiempo muy largo y, a igualdad de propelente gastado, se alcanza una
velocidad final mucho más elevada que con un motor cohete tradicional, de forma
que su rendimiento es unas diez veces superior. El secreto radica en que la
velocidad de expulsión de los iones es muy superior a la de los gases de
combustión de un motor cohete, que no suele pasar de los 3 Km/s (con un tiempo
de encendido de tan solo unos 10 minutos). Además la energía eléctrica
necesaria para el funcionamiento de un motor iónico se extrae de la luz solar
mediante paneles fotovoltaicos.
Los principios de la propulsión iónica datan de los conceptos desarrollados por el físico alemán Hermann Oberth y su obra de 1929, "Die Rakete zu den Planetenräumen". En 1960, Harold R. Kaufman trabajando para la NASA, desarrolló el primer propulsor iónico. A día de hoy, existen varios tipos de motores iónicos, algunos de ellos aún no han sido probados en naves espaciales. Los más importantes son: el propulsor coloidal, propulsor iónico electrostático, propulsor helicoidal de doble capa (HDLT), propulsor inductivo pulsante (PIT), propulsor magnetoplasmadinámico (MPD) y el motor de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR).
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| Eyección de plasma en forma de halo azulado, a través de la tobera del cohete iónico. |
El principio de funcionamiento del motor
iónico es sencillo: átomos neutros de gas Xenón entran a una primera cámara
donde son ionizados mediante un haz de microondas, que arrancan un electrón a
cada átomo. Los iones Xe+ son conducidos mediante un campo eléctrico
débil a otra cámara, donde un intenso campo eléctrico los acelera hasta una
alta velocidad y los expulsa al espacio exterior cargados positivamente. Para
crear este campo, se establece una diferencia de potencial entre dos rejillas,
a través de las cuales pasan los iones. La nave debe permanecer eléctricamente
neutra, por lo que un circuito capta los electrones producidos en la ionización
y, mediante un cátodo hueco, los expulsa también al espacio, donde se
recombinan con los iones Xe+ formando de nuevo gas neutro y
asegurando la neutralidad eléctrica de la nave, a la vez que se emite un bello
resplandor azulado. Los electrones son muchísimo más ligeros que los iones, por
lo que su efecto de propulsión es irrelevante.
La fuerza que ejerce este motor es equivalente a la que ejerce una hoja de papel sobre la palma de una mano, la velocidad inicial es por tanto mínima, pero como en el espacio exterior no hay fricción se llegan a alcanzar grandes velocidades durante un periodo indeterminado de tiempo.
La SMART-1 inició su viaje con una carga de unos 80 Kg de gas Xenón. A su régimen normal de funcionamiento, el motor iónico tiene un consumo C = 0,10 Kg/día de Xe, lo que le da una autonomía superior a dos años. La diferencia de potencial entre las rejillas aceleradoras es ΔV = 1,3 KV.
Se pueden avanzar
algunos resultados de cálculo:
a) Velocidad de
expulsión de los iones, ve-.
b) La fuerza de
empuje del motor, FE.
c) El número de iones
expulsados por segundo Ni, y la intensidad de la corriente iónica expulsada, I.
d) La potencia
eléctrica gastada en la ionización del gas, Pi.
e) El consumo de
potencia eléctrica del conjunto del motor, PT.
Datos:
Masa media de un
átomo de Xenón: mXe = 2,180 ⋅10−25 Kg
Energía de primera
ionización: E+ = 12,13 eV
Carga del electrón: e-
= 1,602 ⋅10−19 C.
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| La propulsión iónica permite grandes desplazamientos en el vacío del espacio con pequeños y repetidos impulsos. |
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