¿Sabías que existen los motores de iones?

Cuando se habla de propulsores iónicos o motores de iones, el ideario público salta directamente a la ciencia ficción más optimista. Son reales, aunque los cohetes que usamos en la actualidad, de combustible líquido son tecnología de 1926 de Robert Goddard, ¡patentada en 1914!

El combustible químico, incluido los que usan los cohetes de propulsión líquida y sólida, tienen el problema de que tienen que subir la masa del combustible. A más peso, más combustible, que a su vez añade más peso. Buena parte del cohete se llena de combustible para poder llevar combustible. Ya es hora de cambiar.

Qué son los motores de iones y cómo funcionan

Los propulsores de iones o ion propulsion no requieren quemar nada. El principio usa solo electricidad de cualquier fuente (pongamos nuclear) y gases como el xenón. El resultado de usar este tipo de motores es que podemos reducir notablemente el peso de las naves espaciales.

Una nave más liviana tendrá menos dificultades a la hora de salir de la atmósfera terrestre. Aunque el cohete requerirá la misma velocidad de escape para escapar del campo gravitatorio [v=(2gR)-1], siendo R el radio terrestre y g la aceleración de la gravedad; la energía empleada debería ser menor [E=GMm/R], siendo G una constante y M la masa de la Tierra.

motor ionico next

Hay varios tipos de motores iónicos, aunque todos funcionan bajo el siguiente patrón. La energía eléctrica generada por una fuente en el interior de la nave crea campos magnéticos con los que se ionizan pequeñas cantidades de gases. Como resultado, los iones de estos gases salen despedidos a grandes velocidades.

Algunos ‘problemillas’ de los ‘ion thruster’

Agencias espaciales como la NASA o la ESA llevan décadas investigando los ion thruster o propulsores iónicos. De hecho su origen data de 1929 y su primer uso fue en 1960 en la NASA. Aún así aún no se ha avanzado tanto como muchos quisieran. De momento los propulsores iónicos no generan demasiado empuje.

La velocidad de escape en la superficie de la Tierra es de 11.200 m/s, y con propulsores de iones se han logrado velocidades de 29.000 m/s (con un gran asterisco). Ocurre que el tiempo de aceleración es enorme comparado con motores de combustión sólida, y eso es un problema.

Como ejemplo la nave espacial Dawn (NASA, 2007) llevaba tres propulsores iónicos redundantes y necesitó 15.000 horas (más de un año y ocho meses) en variar su velocidad en 43.000 m/s. Si una nave propulsada únicamente por iones quisiese llegar a los 100.000 m/s (es una velocidad bastante baja para el espacio) necesitaría 26 veces su masa seca en propelente como el xenón. Hoy los motores de combustible requieren menos.

motor combustible spacex

Si en combustible sólido la analogía clásica es ir montado sobre explosivos en combustión, en motores iónicos sería cabalgar sobre una lámpara muy, muy, muy potente. Pero no tan potente (aún) como para aguantar tanto peso. Los motores iónicos suelen usarse para hacer que los satélites se mantengan en ciertas órbitas, y ya.

Además de alcanzar velocidades muy bajas, este tipo de motor tiene el problema añadido de que los iones de escape tienden a destrozar la rejilla que los acelera. Esto reduce notablemente la duración de estos motores, con excepciones como la de la sonda Hayabusa (Japón, 2003), con cierta resistencia a la erosión.

Las grandes ventajas de los motores iónicos

Por contra,  los motores iónicos parecen perfectos para viajes no tripulados entre órbitas planetarias. Sí, su potencia es extremadamente baja y todo se demora notablemente con este tipo de motores, pero las sondas espaciales no tienen excesiva prisa. Quizá tampoco las muestras a analizar.

Cuando las misiones espaciales se dilatan décadas, que una roca de Titán llegue 10 años más tarde tampoco parece un precio demasiado alto a pagar si con ello logramos una misión más asequible. Y es que los motores iónicos pueden ser más baratos debido al bajo peso.

Aún así, recientes experimentos con propulsores iónicos están dando muy buenos resultados y en unas décadas podríamos doblar su potencia prescindiendo de un poco de su eficiencia, como ocurre con el X3. Veamos algunos casos de éxito internacional.

GOCE, el satélite de la ESA

GOCE estacion esa motor ionico

En 2009 la ESA lanzaba GOCE (Explorador de la Circulación Oceánica y de Gravedad, por sus siglas en inglés). Medía cinco metros de lado y usaba dos propulsores iónicos para maniobrar. Tras el agotamiento del tanque de xenón se destruyó en la atmósfera alta en 2013.

El motor X3 de la NASA

En 2017 la NASA anunciaba las primeras pruebas del motor iónico X3. Al menos en laboratorio el comportamiento era increíble. Si la generación anterior de estos motores solo rozaba los 3,3 N (newtons) de empuje, esta llegaba a los 5,4 N. El X3 forma parte de la generación NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) y podríamos estar a pocas décadas de usarlos en viajes a Marte.

NASA’s Deep Space 1

motor ionico deep space 1 nasa

¿Y qué hay de los viajes interplanetarios?”, podríamos preguntarnos. En 1999 la sonda Deep Space 1 probó por primera vez la propulsión iónica NSTAR en su aproximación a un cometa (el 19P/Borrelly). Fue un éxito rotundo y demostró la eficiencia de la tecnología iónica, aunque el xenón duró poco.

De momento hay dos grandes barreras con los motores iónicos en su uso para viajes espaciales no tripulados, y son la necesidad de xenón u otro gas así como el deterioro de la rejilla de aceleración. Para viajes tripulados habrán de aumentar mucho más su empuje si queremos que el viaje resulte rentable. Pocas misiones serán más caras que aquellas que envíen astronautas al espacio.

 

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Imágenes | NASA, NASA, SpaceX, ESA, NASA

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