Una nueva tecnología de empuje para nanosatélites podría hacerlos más eficientes

Una imagen de un cohete despegando NASA

En 1964, la Unión Soviética lanzó una nave espacial llamada Zond 2 hacia Marte. Su misión era orbitar el Planeta Rojo, fotografiar la superficie, buscar signos de metano en la atmósfera y lanzar una nave para aterrizar en la superficie.

Pero varios meses después del lanzamiento, la fuente de alimentación problemática de Zond 2 falló. Los soviéticos perdieron contacto con la nave y nunca más supieron de ella. Hoy en día, la misión se considera en gran medida como un fracaso, uno de muchos en lo que respecta a Marte.

Pero Zond 2 tenía otro objetivo. La nave espacial estaba equipada con seis propulsores revolucionarios para el control de actitud. Conocidos como motores a reacción de plasma, estos dispositivos nunca se habían utilizado en el espacio. Pero durante varias pruebas posteriores al lanzamiento, Zond 2 demostró que podían funcionar.

Desde entonces, varias naves espaciales se han basado en esta forma de propulsión (y en una forma ligeramente diferente que utiliza propulsores iónicos). Estos motores tienen ventajas significativas sobre los cohetes químicos convencionales porque son más simples, livianos y eficientes.

También son significativamente más pequeños que los propulsores químicos. Eso los hace útiles para los fabricantes de nanosatélites, las naves espaciales cada vez más comunes con una masa de menos de 10 kilogramos, que a menudo son un poco más grandes que un cubo de Rubik.

Pero los motores de empuje de plasma no son perfectos. Convertir el propulsor a bordo en plasma y controlar su flujo puede ser un asunto complicado que desperdicia energía y, a veces, incluso daña el motor. Por lo tanto, encontrar formas de mejorar los motores de empuje de plasma es de gran interés para los fabricantes de satélites pequeños.

Ingrese a Adam Patel y sus colegas de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana. Estos muchachos han ideado un nuevo diseño para un propulsor de plasma tan pequeño como sus predecesores que tiene el potencial de ser aún más confiable y eficiente.

Primero, algunos antecedentes sobre el propulsor del que dependen los propulsores de plasma. La mayoría usa un propulsor sólido como el politetrafluoroetileno, también conocido como teflón. Eso es fácil de almacenar, pero para ser utilizado, debe vaporizarse pasando una corriente a través de la superficie.

Luego, el vapor se enciende, creando un flashover que lo convierte en plasma. Luego, el plasma pasa a través de un campo electromagnético, donde experimenta una fuerza de aceleración que impulsa a la nave espacial en la dirección opuesta.

El problema es que esta ablación es un proceso impredecible. La velocidad es difícil de controlar y esto puede hacer que el empuje no sea uniforme. Además, la superficie de teflón a veces se rompe y expulsa desechos en forma de macropartículas que interfieren con el funcionamiento del motor.

Además, el encendedor que desencadena el proceso de flashover puede dañarse con el tiempo. Todos estos problemas limitan en última instancia la eficiencia de los propulsores de plasma de combustible sólido a menos del 15%.

Una forma de evitar esto es almacenar el propulsor como gas y controlar su liberación con un sistema de inyección de gas. Esto aumenta la eficiencia del motor hasta en un 70%. Pero estos sistemas son voluminosos y complejos, y el gas en sí tiene un volumen significativamente mayor que una masa sólida equivalente. Eso hace que sea difícil construir un nanosat.

Ahora Patel y compañía dicen que pueden solucionar estos problemas usando un propulsor líquido. Un propulsor de plasma pulsado alimentado por líquido podría potencialmente superar varias desventajas asociadas con los dispositivos propulsores de plasma pulsado tradicionales, dicen.

De hecho, han construido un sistema de micropropulsión de prueba de principio alimentado por líquido y lo han puesto a prueba en una cámara de vacío. Como propulsor, utilizan pentafenil trimetil trisiloxano (C33H34O2Si3), un líquido viscoso con baja presión de vapor que también es un excelente dieléctrico.

El equipo también diseñó un nuevo sistema de encendido de bajo consumo. Este consta de dos electrodos de placa separados por un dieléctrico. Funciona aumentando el voltaje a través de las placas hasta un valor umbral en el que el dieléctrico se vaporiza y se convierte en plasma.

En este caso, el dieléctrico es el propelente líquido. Luego, el plasma ingresa a los campos electromagnéticos, donde se acelera.

La ventaja de este tipo de encendedor es que el voltaje de umbral es siempre el mismo, por lo que la cantidad de energía requerida para el flashover siempre es limitada. Esto limita el daño potencial al conjunto de descarga disruptiva con el tiempo.

En las pruebas, Patel y compañía utilizaron el encendedor para más de 1,5 millones de descargas disruptivas sin observar ningún daño significativo en el dispositivo. Otros diseños a veces pueden fallar después de solo 400 ciclos de cocción.

Patel y compañía continuaron midiendo la velocidad de escape del plasma a 32 kilómetros por segundo. Esto les permitió calcular que el motor produce un respetable empuje de hasta 5,8 newtons.

Ese es un primer paso sólido hacia mejores sistemas de micropropulsión para nanosatélites.

Sin embargo, hay más trabajo de desarrollo por delante. Una tarea importante será diseñar y construir un sistema simple de alimentación de líquidos que funcione de manera confiable en gravedad cero. En estos experimentos, los investigadores inyectaron el líquido en el encendedor a mano con una jeringa.

No es difícil imaginar cómo podría automatizarse, pero los líquidos son notoriamente difíciles de controlar en cero G. Por lo tanto, Patel y compañía tendrán que trabajar mucho para desarrollar un sistema simple en el que los fabricantes de satélites puedan confiar. Pero ahí yace otra historia.

Patel y compañía ciertamente tienen ambiciones más grandes para su dispositivo. Los resultados de este documento proporcionan información valiosa para permitir el desarrollo de un propulsor de plasma pulsado de combustible líquido listo para volar, dicen. Será interesante ver cómo lo hacen.

Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Propulsor de plasma pulsado alimentado con líquido para impulsar nanosatélites

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