miniatura|Un propulsor durant la prova de tret miniatura|Representació artística del motor de plasma VASIMR Un motor de propulsió de plasma és un tipus de propulsió elèctrica que genera empenta a partir d'un plasma quasi neutre. Això contrasta amb els motors de propulsió iònica, que generen empenta mitjançant l'extracció d'un corrent iònic de la font de plasma, que després s'accelera a altes velocitats mitjançant reixes d'ànodes. Aquests existeixen en moltes formes (vegeu propulsió elèctrica). Tanmateix, a la literatura científica, el terme "propulsor de plasma" de vegades engloba els propulsors generalment designats com a "motors iònics".
Els propulsors de plasma no solen utilitzar xarxes d'alt voltatge ni ànodes/càtodes per accelerar les partícules carregades del plasma, sinó que utilitzen corrents i potencials que es generen internament per accelerar els ions, la qual cosa resulta en una velocitat d'escapament més baixa atesa la manca d'altes tensions d'acceleració.
Aquest tipus de propulsor té diversos avantatges. La manca de xarxes d'ànodes d'alt voltatge elimina un possible element limitant com a resultat de l'erosió dels ions de la xarxa. L'escapament del plasma és "quasi-neutral", la qual cosa significa que els ions positius i els electrons existeixen en nombre igual, cosa que permet una simple recombinació d'ions i electrons a l'escapament per neutralitzar la columna d'escapament, eliminant la necessitat d'un canó d'electrons (càtode buit). Aquest tipus de propulsor sovint genera el plasma font mitjançant energia de radiofreqüència o microones, utilitzant una antena externa. Aquest fet, combinat amb l'absència de càtodes buits (que són sensibles a tots els gasos excepte els nobles), permet la possibilitat d'utilitzar aquest propulsor en una varietat de propel·lents, des d'argó fins a mescles d'aire i diòxid de carboni i orina d'astronauta.
Els motors de plasma són molt adequats per a missions interplanetàries a causa del seu alt impuls específic. miniatura|Esbós 3D d'un propulsor de plasma de fusió electromagnètica Moltes agències espacials van desenvolupar sistemes de propulsió de plasma, incloent-hi l'Agència Espacial Europea, l'Agència Espacial Iraniana i la Universitat Nacional Australiana, que van codesenvolupar un propulsor de doble capa.
Història Els motors de plasma van ser utilitzats per primera vegada a l'espai per la Unió Soviètica a la Zond 2. La sonda espacial emprava sis propulsors de plasma polsat (PPT) com a actuadors del seu sistema de control d'actitud. El sistema de propulsió 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.
El 2011, la NASA es va associar amb Busek per llançar el primer propulsor d'efecte Hall a bord del satèl·lit Tacsat-2. El propulsor era el principal sistema de propulsió del satèl·lit. L'empresa va llançar un altre propulsor d'efecte Hall aquell mateix any. El 2020, la Universitat de Wuhan va publicar una investigació sobre un jet de plasma. Tanmateix, es va demostrar posteriorment que les estimacions d'empenta publicades en aquest treball eren gairebé nou vegades els nivells teòricament possibles, fins i tot si el 100% de la potència de microones d'entrada es convertís en empenta.
L'empresa Ad Astra Rocket està desenvolupant el coet de magnetoplasma d'impuls específic variable (VASIMR). L'empresa canadenca Nautel produeix els generadors de radiofreqüència de 200 kW necessaris per ionitzar el propel·lent. Algunes proves de components i experiments de "disparo de plasma" es duen a terme en un laboratori de Libèria, Costa Rica. Aquest projecte està dirigit per l'exastronauta de la NASA, el Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).
L'Aliança Aeroespacial Costa-riquenya va anunciar el desenvolupament de suport exterior per al VASIMR que s'instal·larà fora de l'Estació Espacial Internacional. Es preveia que aquesta fase del pla per provar el VASIMR a l'espai es duria a terme el 2016.
Avantatges Els motors de plasma tenen un impuls específic (Isp) molt més alt que la majoria dels altres tipus de tecnologia de coets. El propulsor VASIMR es pot regular per a un impuls superior a 12000 s, i els propulsors Hall han arribat a ~2000 s. Això és una millora significativa respecte als combustibles bipropulsants dels coets químics convencionals, que presenten impulsos específics d'uns 450 s. Amb un impuls elevat, els propulsors de plasma són capaços d'assolir velocitats relativament altes durant períodes d'acceleració prolongats. L'exastronauta Chang-Díaz afirma que el propulsor VASIMR podria enviar una càrrega útil a Mart en tan sols 39 dies.
Alguns propulsors de plasma, com el mini-helicon, són aclamats per la seva simplicitat i eficiència. La seva teoria de funcionament és relativament senzilla i pot utilitzar una varietat de gasos o combinacions.
Aquestes qualitats suggereixen que els propulsors de plasma tenen valor per a molts perfils de missions.
Inconvenients Possiblement el repte més important per a la viabilitat dels propulsors de plasma és el requisit energètic. El motor VX-200, per exemple, requereix 200 kW de potència elèctrica per produir 5 N d'empenta, o 40 kW/N. Aquest requisit de potència pot ser satisfet pels reactors de fissió, però la massa del reactor (inclosos els sistemes de rebuig de calor) pot resultar prohibitiva.
Un altre repte és l'erosió del plasma. Mentre està en funcionament, el plasma pot erosionar tèrmicament les parets de la cavitat del propulsor i l'estructura de suport, cosa que pot provocar una fallada del sistema.
De mitjana, els motors de plasma proporcionen uns 2 lliures d'empenta màxima. L'empenta es redueix a gairebé zero en el funcionament atmosfèric, per tant, els motors de plasma no són adequats per al llançament a l'òrbita terrestre.
Tipus de motor Propulsors de plasma Helicon Els propulsors de plasma Helicon utilitzen ones electromagnètiques de baixa freqüència (ones Helicon) que existeixen dins del plasma quan s'exposen a un camp magnètic estàtic. Una antena de radiofreqüència que envolta una cambra de gas crea ones i excita el gas, creant plasma. El plasma s'expulsa a alta velocitat per produir empenta mitjançant estratègies d'acceleració que requereixen diverses combinacions de camps elèctrics i magnètics de topologia ideal. Pertanyen a la categoria de propulsors sense elèctrodes. Aquests propulsors admeten múltiples propulsors, cosa que els fa útils per a missions més llargues. Es poden fabricar amb materials senzills, com ara una ampolla de refresc de vidre.
Propulsors magnetoplasmadinàmics Els propulsors magnetoplasmadinàmics (MPD) utilitzen la força de Lorentz (una força resultant de la interacció entre un camp magnètic i un corrent elèctric) per generar empenta. La càrrega elèctrica que flueix a través del plasma en presència d'un camp magnètic fa que el plasma acceleri. La força de Lorentz també és crucial per al funcionament de la majoria dels propulsors de plasma pulsat.
Propulsors inductius pulsats Els propulsors inductius pulsats (PIT) també utilitzen la força de Lorentz per generar empenta, però no utilitzen elèctrodes, cosa que resol el problema de l'erosió. La ionització i els corrents elèctrics del plasma són induïts per un camp magnètic que varia ràpidament.
Propulsors de plasma sense elèctrodes Els propulsors de plasma sense elèctrodes utilitzen la força ponderomotriu que actua sobre qualsevol plasma o partícula carregada quan està sota la influència d'un fort gradient de densitat d'energia electromagnètica per accelerar els electrons i els ions del plasma en la mateixa direcció, funcionant així sense neutralitzador.
VASIMR miniatura|VASIMR VASIMR, abreviatura de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (Coet de Magnetoplasma d'Impuls Específic Variable), utilitza ones de ràdio per ionitzar un propel·lent en un plasma. Un camp magnètic accelera el plasma fora del motor, generant empenta. Un motor VASIMR de 200 megawatts podria reduir el temps de viatge de la Terra a Júpiter o Saturn de sis anys a catorze mesos, i de la Terra a Mart de 6 mesos a 39 dies.
Referències
Categoria:Motors de coet