Actualizado 23/12/2021 10:38 CET

Un propulsor Hall en miniatura de alta potencia para cubeSats

Propulsor Hall
Propulsor Hall - WIKIPEDIA

   MADRID, 23 Dic. (EUROPA PRESS) -

   Científicos de Princeton han desarrollado una diminuta versión modificada del propulsor de plasma espacial Hall, que aumenta la vida útil del cohete y produce alta potencia.

   Los propulsores Hall ofrecen una propulsión de naves espaciales basada en plasma excepcionalmente eficiente acelerando pequeñas cantidades de propulsor muy rápidamente utilizando campos eléctricos y magnéticos. Pueden alcanzar velocidades máximas con una pequeña fracción del combustible requerido en un cohete químico.

   El sistema miniaturizado impulsado por plasma --un estado de la materia compuesto por electrones que flotan libremente y núcleos atómicos o iones--, mide poco más de 2,5 centímetros de diámetro y elimina las paredes alrededor del propulsor de plasma para crear configuraciones de propulsores innovadores.

   Entre estas innovaciones se encuentran el propulsor Hall cilíndrico, propuesto y estudiado por primera vez en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL), donde se ha llevado a cabo la nueva investigación, y un propulsor Hall totalmente sin paredes.

   Ambas configuraciones reducen la erosión del canal causada por las interacciones de la pared de plasma que limitan la vida útil del propulsor, un problema clave para los propulsores Hall convencionales anulares o con forma de anillo y especialmente para los propulsores miniaturizados de baja potencia para aplicaciones en satélites pequeños.

   Los propulsores cilíndricos Hall fueron inventados por los físicos de PPPL Yevgeny Raitses y Nat Fisch en 1999 y desde entonces se han estudiado en el Experimento Hall Thruster (HTX) del Laboratorio. Los dispositivos PPPL también se han estudiado en países como Corea, Japón, China, Singapur y la Unión Europea, y Corea y Singapur están considerando planes para volarlos.

   Si bien los propulsores Hall sin paredes pueden minimizar la erosión del canal, enfrentan el problema de un gran ensanchamiento o divergencia de la pluma de empuje de plasma, lo que degrada el rendimiento del sistema. Para reducir este problema, PPPL ha instalado una innovación clave en su nuevo sistema sin paredes en forma de electrodo segmentado, un portador de corriente unido concéntricamente. Esta innovación no solo reduce la divergencia y ayuda a intensificar el empuje del cohete, dijo Raitses, sino que también suprime los contratiempos de los plasmas propulsores Hall de tamaño pequeño que interrumpen la entrega suave de energía.

   Los nuevos hallazgos culminan una serie de artículos que Jacob Simmonds, un estudiante graduado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Princeton, ha publicado con Raitses, su co-asesor de doctorado; Masaaki Yamada, físico de PPPL, es el otro coasesor.

   "En los últimos dos años hemos publicado tres artículos sobre la nueva física de los propulsores de plasma que llevaron al propulsor dinámico descrito en este", dijo Raitses en un comunicado, quien dirige la investigación de PPPL sobre la física del plasma a baja temperatura y el HTX. "Describe un efecto novedoso que promete nuevos desarrollos en este campo".

   La aplicación de electrodos segmentados a los propulsores Hall no es nueva. Raitses y Fisch habían utilizado previamente dichos electrodos para controlar el flujo de plasma en propulsores Hall anulares convencionales. Pero el efecto que Simmonds midió y describió en el artículo reciente de Applied Physics Letters es mucho más fuerte y tiene un mayor impacto en el funcionamiento y el rendimiento general del propulsor.

   El nuevo dispositivo ayuda a superar el problema de los propulsores Hall sin paredes que permiten que el propulsor de plasma se dispare desde el cohete en ángulos amplios, contribuyendo poco al empuje del cohete. "En resumen, los propulsores Hall sin paredes, aunque prometedores, tienen un penacho desenfocado debido a la falta de paredes de canal", dijo Simmonds. "Así que necesitábamos encontrar una manera de enfocar la pluma para aumentar el empuje y la eficiencia y convertirlo en un mejor propulsor general para las naves espaciales".

   El electrodo segmentado desvía algo de corriente eléctrica lejos del electrodo estándar de alto voltaje del propulsor para dar forma al plasma y estrechar y mejorar el enfoque de la pluma. El electrodo crea este efecto al cambiar las direcciones de las fuerzas dentro del plasma, particularmente aquellas en el plasma de xenón ionizado que el sistema acelera para propulsar el cohete. La ionización convirtió el gas xenón, el proceso utilizado, en electrones independientes y núcleos atómicos o iones.

   Estos desarrollos aumentaron la densidad del empuje al moldear más en un volumen reducido, un objetivo clave para los propulsores Hall. Un beneficio adicional del electrodo segmentado ha sido la reducción de las inestabilidades del plasma llamadas oscilaciones del modo de respiración, "donde la cantidad de plasma aumenta y disminuye periódicamente a medida que la tasa de ionización cambia con el tiempo", dijo Simmonds. Sorprendentemente, agregó, el electrodo segmentado hizo que estas oscilaciones desaparecieran. "Los electrodos segmentados son muy útiles para los propulsores Hall por estas razones", dijo.

   El nuevo cohete de alta densidad de empuje puede ser especialmente beneficioso para satélites cúbicos diminutos, o cubeSats. Masaaki Yamada, consejero codoctoral de Simmonds que dirige el Experimento de Reconexión Magnética (MRX) que estudia el proceso detrás de las erupciones solares, la aurora boreal y otros fenómenos espaciales, propuso el uso de un sistema de electrodos segmentados sin paredes para alimentar un CubeSat.