Innovation News Network analiza más de cerca los pros y los contras de la propulsión química y eléctrica, y por qué lo lento y lo constante ganan la carrera.
Cuando piensas en un cohete, probablemente te imaginas una llama brillante, un rugido atronador y un vehículo que se eleva hacia el cielo. Es la propulsión química más espectacular y exactamente lo que queremos para el lanzamiento.
Pero una vez que logras escapar de la gravedad de la Tierra y adentrarte en la tranquilidad del espacio, un tipo de motor completamente diferente comienza a tener sentido.
En el campo de la exploración del espacio profundo, las nuevas generaciones de naves espaciales dependen de un empuje eficiente y sostenido en lugar de energía bruta. La propulsión eléctrica, especialmente los propulsores de iones y de efecto Hall, puede proporcionar una propulsión suave durante miles de horas. Es ciertamente más lento, pero en distancias más largas logra mucho más delta-v (el cambio de velocidad necesario para llegar a su destino) que los cohetes químicos anteriores.
Descubra por qué, las diferencias tecnológicas y por qué un pequeño motor con un nombre extraño está redefiniendo silenciosamente la forma en que exploramos nuestro sistema solar.
Cómo funciona un cohete químico
El concepto de cohete químico es simple. El combustible y el oxidante se mezclan y queman, y el gas en expansión se utiliza para empujar la boquilla. La energía se obtiene directamente de la ruptura de enlaces químicos, y la liberación de energía es tan intensa que en un corto período de tiempo se obtiene una enorme fuerza de propulsión (varios kilogramos de fuerza). Eso es exactamente lo que se necesita para abandonar la Tierra, penetrar la atmósfera y poner una carga útil en camino a la órbita o más allá.
La desventaja es que los cohetes químicos son menos eficientes y requieren más propulsor. La métrica clave aquí es el impulso específico (Isp), que mide el empuje por unidad de propulsor. El Isp de un motor químico suele ser de entre 300 y 450 segundos. Bueno para ráfagas cortas y potentes, pero caro si se requieren grandes cambios de velocidad.
Más allá de cierto punto, cargar combustibles químicos resulta poco práctico. Llevar 10 veces más propulsor requeriría 10 veces más cohetes para levantarlo. Eso rápidamente se convierte en un juego perdido.
Introducción de la propulsión eléctrica.
La propulsión eléctrica rompe viejas estrategias. En lugar de quemar propulsor, utiliza energía eléctrica (de paneles solares o, a veces, de un reactor nuclear) para acelerar átomos (normalmente xenón) a velocidades muy altas. Lo importante aquí es la velocidad de bombeo. Cuanto más rápido se pueda expulsar la masa hacia atrás, mayor será la Isp. Los sistemas eléctricos también pueden alcanzar valores Isp un orden de magnitud superiores a los de los cohetes químicos.
Los dos tipos más comunes son:
Propulsores de iones: utilizan campos eléctricos para acelerar átomos cargados (iones) del motor. Se pueden conseguir ISP de miles de segundos. Propulsor de efecto Hall: contiene electrones dentro de un campo magnético y se utiliza para ionizar y acelerar el propulsor. Por lo general, tienen un Isp ligeramente más bajo que los motores de iones puros, pero pueden proporcionar densidades de empuje más altas en algunas configuraciones.
Independientemente de la tecnología específica, el tema es el mismo. Es alta velocidad de escape, bajo empuje.
Empuje y eficiencia: compensaciones fundamentales
Una de las cosas más confusas acerca de la propulsión eléctrica es que, a pesar de su alta eficiencia, produce muy poco empuje. Por ejemplo, los motores de iones de la misión Dawn de la NASA produjeron una fuerza de sólo unos 90 milinewtons. Esta es aproximadamente la misma fuerza que sostener un trozo de papel en la mano. Incluso el motor químico principal de un cohete produce millones de newtons en ráfagas cortas.
No es un defecto de ingeniería, está en las prioridades de física y diseño. Los propulsores eléctricos suelen tener una potencia de salida limitada. La cantidad de energía que una nave espacial puede generar y alimentar a sus motores limita la cantidad y la velocidad del propulsor que puede acelerar. En el espacio, lo lento y lo constante ganan la carrera, ya que no hay necesidad de luchar contra explosiones rápidas ni resistencia atmosférica.
Por el contrario, la propulsión química tiene un empuje limitado por la densidad de energía de la reacción química. Se puede conseguir mucho empuje en un corto periodo de tiempo, pero los reactivos se agotan rápidamente.
¿Por qué el movimiento es lento en el vacío del espacio?
En el espacio profundo no hay resistencia del aire ni gravedad. Esto significa que incluso fuerzas pequeñas pueden ser importantes si actúan durante largos períodos de tiempo. Si puedes seguir empujando en la misma dirección durante años, esas pequeñas aceleraciones sumarán un cambio muy grande en la velocidad.
Este fue exactamente el caso de la nave espacial Dawn. Después del lanzamiento con un propulsor químico convencional, los motores de iones de Dawn operaron casi continuamente durante miles de días, logrando finalmente un delta-v total comparable al del primer vehículo de lanzamiento, pero usando mucho menos propulsor.
La propulsión eléctrica también entra en juego cuando los diseñadores de misiones quieren realizar ajustes significativos en la trayectoria o visitar múltiples objetivos. Dawn no solo voló hacia un asteroide, sino que entró en órbita alrededor de dos objetos separados en el cinturón de asteroides principal. Este tipo de flexibilidad habría sido casi imposible en los sistemas químicos sin una masa de combustible prohibitiva.
Los cohetes químicos todavía tienen su lugar
La propulsión eléctrica no reemplaza a los cohetes químicos, al menos no todavía. El alto empuje que proporcionan los motores químicos en cortos periodos de tiempo sigue siendo esencial para las siguientes aplicaciones:
Lanzamiento desde la superficie de la Tierra Entrada rápida a la órbita Maniobras rápidas en la órbita terrestre
Nada en los sistemas eléctricos actuales puede igualar este tipo de rendimiento, ya que los sistemas eléctricos no pueden generar suficiente fuerza instantánea. Incluso si la hace funcionar a máxima potencia durante días, no podrá acelerar la nave espacial lo suficiente como para que funcione como vehículo de lanzamiento.
Como resultado, la mayoría de las naves espaciales todavía utilizan propulsión química durante las primeras etapas de una misión, cambiando a sistemas eléctricos para cambios de rumbo a largo plazo.
ejemplo real
Hablar de principios es otra cosa. Otra cosa es verlos en acción.
Dawn utilizó un motor de iones electrostáticos en red para viajar al cinturón de asteroides y visitó tanto Vesta como Ceres. Aunque estos motores eran menos potentes, eran increíblemente eficientes, permitiendo un delta-v acumulativo comparable a la contribución de un vehículo de lanzamiento.
La misión SMART-1 de la ESA utilizó propulsores de efecto Hall impulsados por paneles solares para llegar a la luna. Su empuje era muy pequeño, una fracción de newton, pero tras varios meses de funcionamiento alcanzó la órbita alrededor de lo más parecido a la Tierra.
Misiones recientes como la nave espacial Psyche de la NASA también dependen de la propulsión eléctrica, utilizando propulsores Hall para impulsarla hacia asteroides que se cree que son ricos en metales. Esto refleja cómo los sistemas eléctricos han madurado hasta el punto de convertirse en la principal fuerza de propulsión en las principales misiones interplanetarias.
Limitaciones y desafíos
La propulsión eléctrica parece estupenda sobre el papel, pero no es una solución milagrosa. Los desafíos prácticos incluyen:
Fuente de energía: Requiere energía confiable, generalmente de un gran panel solar o, a veces, de una fuente de energía nuclear. A medida que nos alejamos del sol, la energía solar disminuye con la distancia, lo que limita el rendimiento. Selección de propulsor: El xenón es popular porque es fácil de ionizar y almacenar, pero es pesado y costoso. Los investigadores están explorando alternativas como el criptón y el vapor de agua para los propulsores de pequeños satélites. Limitaciones de empuje: debido a que el empuje es tan bajo, la propulsión eléctrica no puede soportar maniobras en las que el tiempo es crítico. No apto para vuelos rápidos o vuelos atmosféricos, más adecuado para cambios graduales de órbita.
El futuro: híbridos y más allá
Los ingenieros no se conforman con elegir un bando u otro para siempre. Los sistemas híbridos que permiten a las naves espaciales cambiar entre modos químicos y eléctricos según la fase de la misión son un área de investigación activa y desarrollo inicial. Estos pueden combinar lo mejor de ambos mundos. Obtén una patada fuerte cuando la necesites y un paseo largo y eficiente cuando no la necesites.
De cara al futuro, nuevos conceptos como los motores de plasma de alta potencia y la propulsión nuclear pueden desdibujar aún más las líneas y permitir un mayor empuje sin sacrificar la eficiencia. Sin embargo, estas tecnologías aún se encuentran en su etapa inicial o de investigación.
Lo que importa es cuánto tiempo puedes continuar.
A primera vista, parece contradictorio que un sistema de propulsión de pequeño empuje pueda superar en rendimiento a un motor de cohete.
Sin embargo, en el vacío del espacio, la eficiencia puede superar el poder explosivo con el tiempo. La propulsión eléctrica ofrece esa eficiencia, permitiendo misiones que de otro modo requerirían cantidades insostenibles de combustible.
Los cohetes químicos siguen siendo útiles cuando se requiere una propulsión rápida y a gran escala. Pero para las misiones que requieren viajes de larga distancia y ajustes prolongados, el suave susurro de los motores eléctricos se está convirtiendo en un tema dominante. Lo que importa no es qué tan rápido puedes llegar por segundo, sino hasta dónde puedes llegar.
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