En el mundo de la exploración espacial, la propulsión eléctrica se perfila como una alternativa más eficiente y sostenible frente a los cohetes químicos tradicionales.
Desde su debut en misiones pioneras como el Deep Space 1 de la NASA en 1998 y el SMART-1 de la Agencia Espacial Europea en 2003, esta tecnología ha demostrado ser fundamental en misiones de alto impacto, como Dawn y Psyche hacia el cinturón de asteroides, y podría jugar un papel clave en el futuro, incluida la estación espacial Lunar Gateway.
Innovaciones impulsadas por supercomputación
El principio detrás de la propulsión eléctrica es sencillo, aunque innovador: un gas neutro como el xenón o el criptón se ioniza mediante corriente eléctrica, separando electrones de los átomos.
Esto genera una nube de iones y electrones que, al ser acelerada por un campo eléctrico utilizando el efecto Hall, produce una distintiva pluma azul que emerge del motor a velocidades superiores a los 60 mil km/h.
Este motor, conocido como “motor de iones”, sigue la tercera ley de Newton: el impulso generado por los iones expulsados proporciona empuje a la nave.
Sin embargo, se necesita tiempo para acumular momento, porque, a pesar de moverse a gran velocidad, la pluma de iones es bastante dispersa.
Aunque el empuje es menos potente en comparación con los cohetes químicos, los motores de iones ofrecen ventajas significativas. Entre ellas, consumen menos combustible, requieren menos masa y, en consecuencia, abaratan los costos de lanzamiento. Además, su capacidad para operar durante períodos prolongados los hace ideales para misiones de larga duración.
Para alimentar los campos electromagnéticos que impulsan el motor de iones, las misiones utilizan paneles solares, tecnología denominada propulsión eléctrica solar.
Sin embargo, en misiones que se alejan considerablemente del Sol, la luz solar es demasiado débil para generar suficiente energía. En esos casos, se recurre a fuentes nucleares, como generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTGs, por sus siglas en inglés).
Los RTGs permitiendo que los motores funcionen de manera eficiente incluso en regiones del espacio profundo, convirtiendo el calor generado por la descomposición de material radiactivo en energía eléctrica.
Retos y soluciones para una tecnología en auge
A pesar de sus ventajas, la propulsión eléctrica enfrentan desafíos tecnológicos que limitan su eficiencia y durabilidad.
Uno de los problemas más críticos radica en los electrones retrodispersados de la estela de iones. Aunque la pluma se expulsa en dirección opuesta a la nave, algunos electrones pueden desviarse y regresar, impactando paneles solares, antenas y otros componentes expuestos.
Resolver esta problemática es esencial para evitar comprometer la integridad de la nave y garantizar la viabilidad de estas misiones.
Para abordar este desafío, los investigadores Chen Cui, de la Universidad de Virginia, y Joseph Wang, de la Universidad del Sur de California, realizaron simulaciones avanzadas, utilizando supercomputadores, que permiten modelar el comportamiento termodinámico de los electrones en la estela y comprender mejor su interacción con el entorno del motor de iones.
“Estas partículas son pequeñas, pero su movimiento y energía juegan un papel importante en la determinación de la dinámica macroscópica del haz de propulsión”, afirmó Cui.
Lo que Cui y Wang encontraron es que los electrones de la pluma se comportan de manera diferente dependiendo de su temperatura y velocidad.
Los electrones en el núcleo del haz del motor mantienen una temperatura constante mientras viajan a alta velocidad, pero los que se encuentran en los bordes se enfrían rápidamente, reducen su velocidad y pueden escapar del haz, aumentando la probabilidad de retrodispersión.
“Podemos comparar este fenómeno con un tubo lleno de canicas”, agregó Cui. “Las canicas del centro se mueven rápidamente y mantienen su energía, pero las que ruedan hacia los bordes se enfrían y desaceleran”.
Modelando el futuro de la exploración
Este hallazgo es clave para diseñar motores de próxima generación que limiten este efecto indeseado, confinando mejor los electrones en el núcleo del haz y minimizando los daños a la nave.
Con este nuevo conocimiento, la propulsión eléctrica podría evolucionar hacia sistemas más robustos, capaces de operar durante más tiempo y recorrer mayores distancias en el espacio profundo. Impulsadas por la característica pluma azul de los motores de iones, las naves espaciales del futuro podrían abrir nuevas fronteras en la exploración del cosmos.
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