La editora de Innovation Platform, Georgie Purcell, habló con John W. Dankanich de la NASA para escuchar cómo la agencia espacial está utilizando la propulsión de plasma para mejorar las misiones.
La propulsión por plasma es una forma avanzada de propulsión espacial eléctrica que utiliza campos eléctricos y magnéticos para ionizar el propulsor en plasma (un gas cargado de electrones e iones) y acelerarlo a velocidades extremadamente altas, muy superiores a las de los cohetes químicos. Esta solución ofrece una variedad de beneficios para las misiones espaciales, incluida una mayor eficiencia y costos reducidos.
La NASA ha utilizado la tecnología de plasma para una variedad de actividades y misiones a lo largo de su historia y continúa haciéndolo para optimizar la eficiencia, la rentabilidad y las capacidades. Para aprender más sobre el papel de la propulsión de plasma en el trabajo de la NASA, Georgie Purcell habló con John W Dankanich, Director de Capacidad de Sistemas de Transporte Espacial de la NASA.
¿Puedes identificar algunos de los principales usos de la propulsión por plasma en las misiones de la NASA?
La propulsión por plasma, o comúnmente conocida como «propulsión eléctrica» (EP), incluye una variedad de soluciones de propulsión, incluidos propulsores de efecto Hall, propulsores de iones de rejilla, propulsores de plasma pulsado, electrospray y más.
La propulsión eléctrica ha facilitado una variedad de misiones científicas en la NASA. Por ejemplo, la misión científica planetaria Dawn utilizó un propulsor de iones en red llamado NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR). La misión fue dirigida por el Jet Propulsion Laboratory (JPL) para explorar Vesta y Ceres utilizando tecnología de propulsor desarrollada por el Glenn Research Center. Esta fue la primera misión científica que utilizó propulsión eléctrica primaria, y el sistema EP también permitió que la primera misión se detuviera y explorara dos destinos diferentes en la misma nave espacial.
Seguimos utilizando la propulsión eléctrica para la ciencia planetaria dentro de la misión Psyche de la NASA en curso. La misión, habilitada mediante el uso de propulsores de efecto Hall, está programada para lanzarse en 2023 y llegar al asteroide Psyche, rico en metales, en julio de 2029. Se trata de una misión interesante porque Psyche podría ser el núcleo expuesto de un protoplaneta, lo que podría ayudarnos a comprender la formación de planetas.
La NASA continúa viendo un aumento en el número de misiones propulsadas por plasma utilizadas, especialmente a medida que continúan madurando soluciones de bajo consumo y bajo costo, algunas de las cuales permiten misiones de alto rendimiento y bajo costo. Tenemos un proyecto dependiente de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial (STMD) llamado Propulsión Eléctrica por Subkilovatios (SKEP). También nos asociamos con la industria para desarrollar sistemas para naves espaciales pequeñas, incluida la propulsión eléctrica clase ESPA. A corto plazo, esto facilitará cosas como las misiones científicas centradas en la Tierra y el mantenimiento orbital, pero también estamos trabajando para reducir el costo de las misiones científicas planetarias.
Nuestra misión EP más grande es Gateway, la primera estación espacial en órbita lunar de la humanidad. Gateway es parte de la arquitectura Artemis, junto con otros sistemas como el sistema de lanzamiento espacial, la nave espacial Orion, el sistema de aterrizaje humano y el traje espacial. Estos son algunos de los sistemas que ayudarán a la NASA a explorar el polo sur de la luna. El Gateway apoyará la misión Artemis liderada por la NASA para regresar a la Luna para realizar descubrimientos científicos y también ayudará a trazar el camino para las primeras misiones tripuladas a Marte y más allá. Esto demuestra gran parte de la tecnología que queremos desde una perspectiva de agregación y ampliación de sistemas. La pequeña estación espacial será un puesto avanzado multipropósito que apoyará las misiones científicas lunares y también podrá probar tecnologías en la órbita lunar. Esto tiene como objetivo asociaciones con socios comerciales e internacionales construidas a través de la exploración humana.
Como se puede imaginar, la instalación de grandes sistemas en destinos remotos requiere enormes cantidades de propulsor. Parte del programa Gateway son los elementos de potencia y propulsión (PPE). El PPE también es administrado por el Centro de Investigación Glenn y actualmente se encuentra en proceso de ensamblaje final en Lantelis Space Systems. El PPE incluye tres propulsores del sistema de propulsión eléctrica avanzada de 12,5 kW fabricados por L3Harris Technologies y cuatro propulsores BHT-6000 de 6 kW fabricados por Busek. Todos estos son propulsores de efecto Hall, que proporcionan un sistema de propulsión eléctrica de alta potencia que permite una arquitectura de lanzamiento único que mueve eficientemente el Gateway a una órbita de halo casi rectilínea (NRHO) alrededor de la Luna.
¿Cómo ha progresado el uso de la propulsión por plasma por parte de la NASA en los últimos años?
El trabajo de la NASA se centra principalmente en promover el éxito de nuestros socios industriales. El uso de la propulsión eléctrica se ha generalizado en los espacios comerciales en los últimos años, aprovechando muchos avances de las últimas décadas.
La NASA también está aumentando la variedad de opciones de propulsión de plasma. Un ejemplo importante es el avance del propulsor Gateway Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Actualmente utilizamos propulsores Hall con protección magnética, que proporcionan una funcionalidad de muy larga duración. También vemos que la tecnología se utiliza en una amplia gama de misiones a diferentes escalas, y los socios internacionales adaptan la tecnología a sus propios sistemas.
Además de estas características que prolongan la vida, también hay avances como los esfuerzos para reducir costos y mejorar las capacidades de fabricación.
¿Qué ventajas tiene el plasma frente a otros tipos de propulsión?
La gran ventaja de la propulsión eléctrica es la eficiencia de la propulsión. La eficiencia de un sistema de propulsión a menudo se mide en términos de empuje específico, que es función de la velocidad de escape del propulsor. Por lo tanto, cuanto más rápido sea el escape, más eficiente será la transferencia de impulso y más eficiente será la nave espacial. Los sistemas de propulsión química suelen estar limitados en la cantidad de energía que se puede liberar al romper los enlaces químicos mediante la combustión. Sin embargo, la propulsión eléctrica normalmente ioniza el propulsor y acelera su plasma, lo que a menudo da como resultado una velocidad de escape de un orden de magnitud mayor o un impulso específico de un orden de magnitud mayor.
Dependiendo de la misión que queramos perseguir, la eficiencia del combustible puede serlo todo. Por ejemplo, como mencioné anteriormente, la misión Dawn fue la primera misión en la historia que se detuvo en dos destinos diferentes en la misma nave espacial. A menudo pensamos en la eficiencia del combustible en tierra. Naturalmente, queremos que nuestros automóviles ahorren más combustible y la NASA no es diferente. El desafío que enfrenta la NASA es que a menudo necesita comprar un vehículo nuevo cada vez que viaja a algún lugar. Para nosotros, la eficiencia del combustible lo es todo, especialmente cuando hacemos varias paradas o vamos a destinos muy difíciles. Por ejemplo, en la misión Gateway, al intentar mover una masa tan grande, la eficiencia del sistema de propulsión eléctrica permite a Gateway alcanzar la órbita con una sola arquitectura de lanzamiento.
¿Cuáles son los principales desafíos asociados con el uso de la tecnología de propulsión por plasma? ¿Cómo estás trabajando para superarlos?
La NASA suele tener requisitos únicos de alto rendimiento. En los últimos años se han lanzado miles de propulsores de plasma al espacio comercial, principalmente para la inserción y el mantenimiento de la órbita y, en última instancia, para la desorbitación con requisitos de misión delta-v relativamente bajos. El objetivo de la aplicación es reducir el costo del sistema cumpliendo con los requisitos mínimos. Algunas de estas misiones requieren sólo unos pocos cientos de horas de ejecución, y otras utilizan sólo desde unos pocos kilogramos hasta decenas de kilogramos de propulsor. Pero Gateway está diseñado para lanzarse con miles de kilogramos de propulsor y funcionar durante decenas de miles de horas. También está diseñado para soportar un funcionamiento a largo plazo. La simple demostración de un propulsor a través de un programa de certificación puede resultar costosa, especialmente cuando se amplían propulsores que pueden alcanzar los límites de las instalaciones de prueba.
También es importante que estas soluciones de alto rendimiento, especialmente los CubeSats, aborden costos muy bajos y al mismo tiempo logren una confiabilidad muy alta. Lograr soluciones confiables y de alto rendimiento para CubeSats a bajo costo ha sido difícil, pero hemos logrado avances significativos con múltiples inversiones de Small Business Innovative Research (SBIR) en propulsores metálicos pulsados, electropulverización e incluso sistemas multimodo.
Los problemas térmicos también son siempre un problema cuando se pasa a sistemas de mayor densidad de potencia.
A medida que ampliamos estos propulsores a potencias más altas, es importante mantener la masa baja, lo que esencialmente nos permite lograr estas soluciones de mayor densidad de potencia.
El costo también es un desafío importante para los sistemas de propulsión eléctrica. Además de los propulsores, los sistemas de propulsión de plasma a menudo requieren alta potencia para las naves espaciales y también requieren unidades de procesamiento de energía (PPU), lo que puede aumentar el costo del sistema de propulsión general más allá del incluido en los sistemas de propulsión química. Tanto el JPL como el Glenn Research Center otorgan licencias de sistemas de propulsión eléctrica a socios comerciales para ayudar a permitir misiones y reducir costos. Recientemente financiamos un SBIR en serie con una empresa llamada HiFunda, una pequeña empresa que desarrolla materiales de encapsulado compuestos inorgánicos moldeables (CICPM) para electroimanes de alta temperatura. Esta inversión debería mejorar la reproducibilidad en la fabricación de propulsores Hall, reducir los plazos de entrega, reducir el retrabajo y fortalecer el control de calidad al tiempo que aprovecha la automatización de procesos. Este tipo de inversiones nos están ayudando a trabajar hacia soluciones de menor costo.
También se pueden agregar propulsores a algunas de estas misiones. Por ello, la NASA y sus socios han invertido en propulsores alternativos. La NASA ha utilizado tradicionalmente xenón para mejorar su rendimiento, pero esto es relativamente caro en comparación con alternativas como el criptón y el argón. También estudiamos soluciones más densas como el yodo, el bismuto y el zinc.
¿Qué le depara el futuro a la propulsión de plasma en la NASA?
Creo que es un momento emocionante para ver dónde estamos ahora y hacia dónde vamos con la propulsión de plasma. Esto se aplica tanto a la ampliación, como la propulsión nuclear-eléctrica, que permite algunas de las misiones de arquitectura de Marte que estamos considerando, como a la reducción de sistemas, como CubeSat y aplicaciones de satélites pequeños.
Es sorprendente cómo el mundo se vuelve más accesible y luego aumenta el ritmo de la innovación y aumenta lo que se puede hacer en el espacio. A medida que comenzamos a mejorar el rendimiento y habilitar estas nuevas capacidades en misiones de muy bajo costo, comenzamos a ver una versatilidad de misión que permite una mejor ciencia y una mayor actividad económica.
El futuro de la propulsión eléctrica parece brillante y de amplio espectro. Esto significa más tipos de propulsores, tamaños de propulsores y diversidad de propulsores para agregar a su cartera a medida que amplía el uso de EP en todas las clases de misiones de ciencia y exploración de la NASA.
Este artículo se publicará en un próximo número de Special Focus Publication.
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