HISTORIA TRANSPORTE ESPACIAL

En el pasado no tan distante cuando los diseñadores de astronaves tenían que elegir un medio de propulsión para sus vehículos, los motores iónicos no contaban entre las opciones viables para los viajes espaciales de largo alcance. Pero hoy en día, gracias a los esfuerzos pioneros de los científicos del Centro de Investigación Glenn de la NASA y del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), los sistemas de propulsión iónica son una realidad. El Dr. John Brophy, de JPL, discutió el pasado, presente y futuro de los sistemas de propulsión iónica durante una sesión la semana pasada en el 11º Taller Anual de Propulsión Espacial Avanzada (Advanced Space Propulsion Research Workshop) en Pasadena, California. Luego de una historia de desarrollo que cubre casi 40 años y a continuación del exitoso vuelo de la Deep Space 1 en 1998-1999, la propulsión iónica ha entrado ahora en la corriente principal de las opciones de propulsión disponibles en las misiones de espacio profundo, de acuerdo a un resumen escrito por Brophy. “La propulsión iónica ha estado en los alrededores por mucho tiempo”, dijo Brophy. “El primer motor fue probado allá por 1959 en NASA Glenn (entonces era NASA Lewis), y se encontró que tenía un rendimiento excelente”. Pero había un problema que los científicos descubrirían prontamente. “Mientras que era fácil hacer que los motores rindieran bien, era muy difícil lograr que duraran”. Sin embargo, nadie estaba dispuesto a dejar de lado estos motores. Los científicos de la NASA continuaron trabajando en soluciones para el problema de la longevidad. Entonces, en 1992, la NASA comenzó el programa NSTAR (Alistamiento de Aplicación de Tecnología Eléctrica Solar de la NASA), que contenía en su núcleo la remoción de las barreras para utilizar la propulsión iónica en sus misiones de espacio profundo. Había dos problemas que se encontraban en el camino hacia la demostración exitosa de los sistemas de propulsión iónica.
Este prototipo de motor iónico de xenón, fotografiado a través de una portilla de la cámara de vacío donde estaba siendo probado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, muestra el tenue resplandor azul de los átomos cargados al ser emitidos desde el motor. Un motor similar propulsó a la astronave Deep Space I. (Más imágenes de JPL).
“El primer problema era demostrar que los motores podían durar lo suficiente como para ser útiles”, dijo Brophy. “El segundo problema era averiguar como guiar y navegar una espacionave con propulsión iónica, algo que nadie había hecho antes”. Después de varios años más de trabajo, el sistema de propulsión NSTAR estaba listo para ser probado en la Deep Space I. Sin embargo, como sucede con muchos proyectos a largo plazo, había asuntos que resolver antes de que el sistema pudiera volar realmente. “Se nos dijo que el proyecto Deep Space I no podía costear la construcción del conjunto solar que se requeriría para volar el sistema de propulsión iónica, pero que la NASA lo volaría si podíamos encontrar un conjunto solar gratis que pudiéramos utilizar”, dijo Brophy. “Afortunadamente, encontramos uno. La Organización de Defensa de Misiles Balísticos (BMDO) tenía un avanzado conjunto solar que querían probar, así que se lo proporcionaron a la NASA”. La Deep Space I, provista con el conjunto solar de BMDO y el sistema de propulsión iónica NSTAR fue un éxito, con ambos trabajando exactamente como había sido planeado. Nuevas solicitudes han seguido para sistemas iónicos con capacidades aumentadas.
Este dibujo artístico muestra al Rosetta Lander apoyado sobre el núcleo del cometa Wirtanen luego de que la astronave Rosetta haya llegado en 2011. Los expertos en propulsión piensan que motores iónicos mejorados podrían eventualmente impulsar sondas espaciales a los cometas y asteroides más rápidamente que los motores convencionales. Crédito de la imagen: ESA.
“El sistema NSTAR era conservador a propósito”, dijo Brophy. “Queríamos ver primero si podía trabajar. Ahora es una opción legítima que está siendo considerada para muchas nuevas misiones”. Brophy explicó que muchas de las misiones de espacio profundo que son relativamente fáciles de realizar desde el punto de vista de la propulsión, tales como acercamientos planetarios, han sido ya realizadas. Sin embargo, la clase de las misiones futuras de alta prioridad, que incluyen el retorno de muestras y orbitadores de planetas exteriores, ponen demandas sustancialmente mayores en los sistemas de propulsión a bordo. Los sistemas de propulsión iónica hacen que las misiones sean más costeables y científicamente más atractivas al permitirles utilizar vehículos de lanzamiento menores y más baratos, y al reducir los tiempos de vuelo, de acuerdo a Brophy. Algunos conceptos propuestos para misiones considerando la propulsión iónica incluyen el Retorno de Muestras de Núcleos Cometarios (CNSR). el Observador de Anillos de Saturno, el Explorador de Titán, el Orbitador de Neptuno, y el Vehículo de Descenso a Europa.
Sepa más sobre la propulsión iónica con Ions in Action, un producto del SpacePlace de JPL.
“El más probable candidato para utilizar la propulsión iónica a continuación será el CNSR”, dijo Brophy. “Como un ejemplo, tome la astronave Rosetta de la Agencia Espacial Europea, que está diseñada para encontrarse con el cometa Wirtanen en 2011. Utilizando un motor convencional, Rosetta necesitará 9 años para alcanzar el cometa. La astronave CNSR podría aprovechar la oportunidad de un sistema de propulsión iónica para llegar allí en solo 2 años y medio. Más aún, podría recoger muestras del cometa, y regresar a la Tierra antes de que la astronave Rosetta hubiera llegado siquiera”. A pesar de las grandes posibilidades presentadas por el exitoso vuelo de la Deep Space I, los científicos todavía están trabajando en mejoras para la tecnología de propulsión iónica actual necesaria para las futuras misiones planetarias. “Por el momento, estamos principalmente trabajando en la mejora de la duración de los impulsores”, dijo Brophy. “Esperamos doblar el tiempo diseñado de operación de los motores, que es de aproximadamente un año a plena potencia”. Propulsión Iónica – Como medias en un secador
La astronave con impulso iónico Deep Space I es lanzada a bordo de un cohete Delta en 1998. Una vez en el espacio, DS1 utilizó su motor iónico para propulsarse.
El principio detrás de la propulsión iónica es muy parecido a lo que se siente cuando uno retira un par de medias calientes del secador de ropa en un frío día de invierno. Las medias se separan una de otra porque están cargadas electrostáticamente, y cargas iguales se repelen. El reto de la propulsión eléctrica espacial es cargar un fluido de modo que sus átomos puedan ser expelidos en una dirección, y así propulsar a la espacionave en la otra dirección. El combustible utilizado en el motor iónico de la Deep Space I es el xenón, un gas que es más de 4 veces más pesado que el aire. Cuando el motor iónico está funcionando, se emiten electrones desde un tubo hueco llamado cátodo. Estos electrones entran en una cámara con anillos magnéticos, donde chocan con los átomos de xenón. El impacto de un electrón sobre un átomo de xenón hace salir despedido a uno de los 54 electrones del xenón. Ésto da como resultado un átomo de xenón con una carga positiva, es decir, lo que se conoce como un ión. En la parte posterior de la cámara, dos grillas de metal están cargadas positivamente una y negativamente la otra, con hasta 1.280 voltios de electricidad. La fuerza de esta carga eléctrica ejerce un fuerte tirón electrostático sobre los iones de xenón. Estos iones salen disparados por la parte trasera del motor a una velocidad de 100.000 km/h (60.000 millas por hora). A pleno acelerador, el motor iónico consume 2.500 watts de energía eléctrica, y produce 1/50 de libra de empuje. Ésto es mucho menos que el empuje de aún los más pequeños cohetes químicos. Pero si un motor iónico puede funcionar por meses, o aún por años, el pequeño y constante empuje significa un tiempo de vuelo sustancialmente reducido. Además, estos motores son hasta 10 veces más eficientes que los cohetes químicos. Los cohetes de propulsión iónica no pueden generar suficiente impulso como para elevar su propio peso. Un vehículo de lanzamiento con impulso químico, sin embargo, puede elevar una etapa superior que lleve una astronave impulsada por propulsión iónica.