miniatura|Propulsor Hall de 6 kW en funcionament al Laboratori de Propulsió a Jet de la NASA La propulsió elèctrica de naus espacials (o simplement propulsió elèctrica) és un tipus de tècnica de propulsió espacial que utilitza camps electroestàtics o electromagnètics per accelerar la massa a alta velocitat i així generar empenyiment per modificar la velocitat d'una nau espacial en òrbita.Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, 58–65 El sistema de propulsió està controlat per electrònica de potència. miniatura|Disseny 3D d'una nau espacial amb propulsió elèctrica Els propulsors elèctrics solen utilitzar molt menys propel·lent que els coets químics perquè tenen una velocitat d'escapament més alta (operen a un impuls específic més alt) que els coets químics.Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, 58–65 A causa de la potència elèctrica limitada, l'empenta és molt inferior a la dels coets químics, però la propulsió elèctrica pot proporcionar empenta durant més temps. Els motors nuclears-elèctrics o de plasma, que funcionen durant llargs períodes a baixa empenta i funcionen amb reactors de fissió, tenen el potencial d'assolir velocitats molt més grans que els vehicles de propulsió química o els coets nuclears-tèrmics. Però a causa de la seva propulsió de baixa empenta, la propulsió elèctrica no és adequada per a llançaments des de la superfície de la Terra i estarien limitats a operacions fora del planeta, a l'espai profund. Aquests vehicles probablement tenen el potencial d'alimentar l'exploració del sistema solar amb temps de viatge raonables dins del segle actual: en el futur, els propulsors elèctrics més avançats podrien ser capaços d'impartir un delta-v de 100 km/s (62 mi/s), que és suficient per portar una nau espacial als planetes exteriors del Sistema Solar (amb energia nuclear), però massa lent per al viatge interestel·lar. Un coet elèctric amb una font d'energia externa (transmissible mitjançant làser als panells fotovoltaics) té una possibilitat teòrica de vol interestel·lar.
La propulsió elèctrica es va demostrar per primera vegada a la dècada del 1960 i ara és una tecnologia madura i àmpliament utilitzada en naus espacials. Els satèl·lits americans i russos han utilitzat la propulsió elèctrica durant dècades. , més de 500 naus espacials que operen arreu del Sistema Solar utilitzen propulsió elèctrica per mantenir la posició, elevar l'òrbita o propulsió primària.
En un viatge a Mart, una nau propulsada elèctricament podria ser capaç de transportar el 70% de la seva massa inicial fins a la destinació, mentre que un coet químic només podria transportar-ne un petit percentatge.
Història La idea de la propulsió elèctrica per a naus espacials va ser introduïda el 1911 per Konstantin Tsiolkovsky. Anteriorment, Robert Goddard havia anotat aquesta possibilitat al seu quadern personal.
El 15 de maig de 1929, el laboratori de recerca soviètic Gas Dynamics Laboratory (GDL) va començar el desenvolupament de motors de coet elèctrics. Dirigit per Valentin Glushko, a principis dels anys 30 va crear el primer exemple mundial de motor de coet electrotèrmic. Aquest primer treball de GDL s'ha dut a terme de manera constant i els motors de coet elèctrics es van utilitzar als anys 60 a bord de la nau espacial Voskhod 1 i la sonda de Mart Zond-2.
La primera prova de propulsió elèctrica va ser un motor iònic experimental transportat a bord de la nau espacial soviètica Zond 1 l'abril de 1964, però van funcionar de manera erràtica possiblement a causa de problemes amb la sonda. La nau espacial Zond 2 també transportava sis propulsors de plasma polsat (PPT) que servien com a actuadors del sistema de control d'actitud. El sistema de propulsió PPT es va provar durant 70 minuts el 14 de desembre de 1964 quan la nau espacial es trobava a 4,2 milions de quilòmetres de la Terra.
La primera demostració amb èxit d'un motor iònic va ser la nau espacial SERT-1 (Space Electric Rocket Test) de la NASA. Es va llançar el 20 de juliol de 1964 i va funcionar durant 31 minuts. Una missió de seguiment es va llançar el 3 de febrer de 1970, la SERT-2. Transportava dos propulsors iònics, un va funcionar durant més de cinc mesos i l'altre durant gairebé tres mesos.
Tony Martin va considerar la propulsió elèctrica amb un reactor nuclear per al Projecte interestel·lar Daedalus el 1973, però l'enfocament va ser rebutjat a causa del seu perfil d'empenta, el pes de l'equip necessari per convertir l'energia nuclear en electricitat i, com a resultat, una petita acceleració, que trigaria un segle a aconseguir la velocitat desitjada.
A principis de la dècada del 2010, molts fabricants de satèl·lits oferien opcions de propulsió elèctrica als seus satèl·lits, principalment per al control d'actitud en òrbita, mentre que alguns operadors de satèl·lits de comunicacions comercials començaven a utilitzar-los per a la inserció en òrbita geoestacionària en lloc dels motors de coets químics tradicionals.
Tipus Accionaments d'ions i plasma Aquests tipus de motors de reacció semblants als coets utilitzen energia elèctrica per obtenir empenta del propel·lent.
Els propulsors elèctrics per a naus espacials es poden agrupar en tres famílies segons el tipus de força utilitzada per accelerar els ions del plasma:
Electrostàtica Si l'acceleració és causada principalment per la força de Coulomb (és a dir, l'aplicació d'un camp elèctric estàtic en la direcció de l'acceleració), el dispositiu es considera electroestàtic. Tipus:
Propulsor iònic en quadrícula Preparació per a l'aplicació de tecnologia solar de la NASA (NSTAR) HiPEP Propulsor d'ions de radiofreqüència Propulsor d'efecte Hall, incloent-hi els seus subtipus Propulsor de Plasma Estacionari (SPT) i Propulsor amb Capa Ànodica (TAL) Propulsor d'ions col·loïdals Propulsió elèctrica d'emissió de camp Propulsor d'extracció de camp de nanopartícules
Electrotèrmic La categoria electrotèrmica agrupa dispositius que utilitzen camps electromagnètics per generar un plasma per augmentar la temperatura del propel·lent a granel. L'energia tèrmica impartida al gas propel·lent es converteix en energia cinètica mitjançant una broqueta de material sòlid o camps magnètics. Els gasos de baix pes molecular (per exemple, hidrogen, heli, amoníac) són propel·lents preferits per a aquest tipus de sistema.
Un motor electrotèrmic utilitza una boquilla per convertir la calor en moviment lineal, per la qual cosa és un veritable coet tot i que l'energia que produeix la calor prové d'una font externa.
El rendiment dels sistemes electrotèrmics en termes d'impuls específic (Isp) és de 500 a ~1000 segons, però supera el dels propulsors de gas fred, els coets monopropulsants i fins i tot la majoria dels coets bipropulsants. A l'URSS, els motors electrotèrmics van entrar en ús el 1971; les sèries de satèl·lits soviètics "Meteor-3", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" i el satèl·lit rus "Elektro" estan equipats amb ells. Els sistemes electrotèrmics d'Aerojet (MR-510) s'utilitzen actualment als satèl·lits Lockheed Martin A2100 que utilitzen hidrazina com a propel·lent.
Resistojet Arcjet Microones Coet de magnetoplasma d'impuls específic variable (VASIMR)
Electromagnètic Els propulsors electromagnètics acceleren els ions per la força de Lorentz o per l'efecte de camps electromagnètics on el camp elèctric no és en la direcció de l'acceleració. Tipus:
Propulsor de plasma sense elèctrodes Propulsor magnetoplasmadinàmic Propulsor inductiu pulsat propulsor de plasma pulsat Propulsor Helicon de doble capa Propulsor amplificat per oscil·lació de camp magnètic
Accionaments no iònics Fotònica Un impuls fotònic només interactua amb fotons.
Corretja electrodinàmica Les cordes electrodinàmiques són cables conductors llargs, com ara els desplegats des d'un satèl·lit de corda, que poden funcionar segons principis electromagnètics com a generadors, convertint la seva energia cinètica en energia elèctrica, o com a motors, convertint l'energia elèctrica en energia cinètica.NASA, Tethers In Space Handbook, edited by M.L. Cosmo and E.C. Lorenzini, Third Edition December 1997 (accessed 20 October 2010); see also version at NASA MSFC ; available on scribd El potencial elèctric es genera a través d'una corda conductora pel seu moviment a través del camp magnètic terrestre. L'elecció del conductor metàl·lic que s'utilitzarà en una corda electrodinàmica està determinada per factors com la conductivitat elèctrica i la densitat. Els factors secundaris, segons l'aplicació, inclouen el cost, la resistència i el punt de fusió.
Controvertit Alguns mètodes de propulsió proposats aparentment violen les lleis de la física actualment conegudes, com ara:
Propulsor de buit quàntic EM Drive o Cannae Drive
Estable vs. inestable Els sistemes de propulsió elèctrica es poden caracteritzar com a estacionaris (funcionament continu durant una durada prescrita) o no estacionaris (funcionaments pulsats que s'acumulen fins a un impuls desitjat). Aquestes classificacions es poden aplicar a tots els tipus de motors de propulsió.
Propietats dinàmiques Els motors de coet elèctrics proporcionen un empenyiment inferior en comparació amb els coets químics per diversos ordres de magnitud a causa de la limitada potència elèctrica disponible en una nau espacial. Un coet químic transmet energia directament als productes de combustió, mentre que un sistema elèctric requereix diversos passos. Tanmateix, l'alta velocitat i la menor massa de reacció gastada per al mateix empenyiment permeten que els coets elèctrics funcionin amb menys combustible. Això difereix de les naus espacials típiques de propulsió química, on els motors requereixen més combustible, cosa que requereix que la nau espacial segueixi principalment una trajectòria inercial. Quan es troba a prop d'un planeta, la propulsió de baix empenyiment pot no compensar la força gravitatòria. Un motor de coet elèctric no pot proporcionar prou empenyiment per aixecar el vehicle de la superfície d'un planeta, però un baix empenyiment aplicat durant un interval llarg pot permetre que una nau espacial maniobri a prop d'un planeta.
Referències
Categoria:Naus espacials Categoria:Motors