Prueba de un nuevo propulsor de plasma a base de yodo en órbita

La mayoría de las personas probablemente estén familiarizadas con el yodo por su función como desinfectante. Pero si te quedaste despierto hasta tarde durante la química de la escuela secundaria, es posible que hayas visto un programa en el que se calentaba el polvo de yodo. Dado que los puntos de fusión y ebullición están muy próximos entre sí a presión atmosférica, el yodo formará fácilmente un gas púrpura cuando se calienta. A baja presión, pasa directamente de un sólido a un gas, un proceso llamado sublimación.

Resulta que esto podría convertirlo en el combustible ideal para una forma de propulsores de naves espaciales altamente eficientes llamados propulsores de iones. Si bien se ha considerado un candidato prometedor durante un tiempo, una compañía comercial llamada ThrustMe ahora anuncia que ha demostrado un propulsor impulsado por yodo en el espacio por primera vez.

fuerza iónica

Los cohetes dependen de reacciones químicas para expulsar una gran masa de material lo más rápido posible, lo que les permite generar suficiente empuje para llevar algo al espacio. Pero esa no es la forma más eficiente de generar pagos: terminamos operando con eficiencia para obtener el paquete rápido necesario para vencer la gravedad. Una vez en el espacio, la necesidad de velocidad desaparece; Podemos utilizar medios más eficientes para expulsar materia, porque una tasa de aceleración más lenta es aceptable para mover cosas entre diferentes órbitas.

El campeón de eficiencia actual es el propulsor iónico, que ahora se ha utilizado En varias naves espaciales. Funciona mediante el uso de electricidad (generalmente generada por paneles solares) para quitar un electrón de un átomo neutro, lo que da como resultado un ion. La rejilla electrificada luego usa interacciones electromagnéticas para expulsarla de la nave espacial a alta velocidad, creando empuje. Los iones finalmente se expulsan a velocidades que pueden ser de un orden de magnitud mayor que las que puede producir un motivo químico.

Se puede acelerar una cantidad relativamente pequeña de material a la vez, por lo que esto no puede generar nada parecido a la cantidad de empuje producido en un corto período de tiempo por un cohete químico. Pero utiliza mucho menos material para producir la misma cantidad de empuje y puede producir fácilmente una aceleración equivalente si se le da suficiente tiempo. En otras palabras, si puede ser paciente con su aceleración, un motor de iones puede hacer el equivalente en una forma que use menos masa y menos espacio. Estas son dos consideraciones muy importantes en las naves espaciales.

Es fundamental hacer que esto funcione con el presupuesto de energía de la nave espacial, un material que puede ionizarse sin requerir mucha energía. Actualmente, el material de elección es el xenón, un gas fácil de ionizar y que se encuentra varias filas hacia abajo en la tabla periódica, lo que significa que cada uno de sus iones es relativamente pesado. Pero el xenón tiene sus desventajas. Es relativamente raro (solo 1 parte por cada 10 millones en nuestra atmósfera) y debe almacenarse en contenedores de alta presión, eliminando algunos de los ahorros de peso.

Ingrese yodo

El yodo parece ser un sustituto ideal. Está al lado del xenón en la tabla periódica y generalmente se encuentra como una molécula formada por dos átomos de yodo, por lo que tiene la capacidad de producir más empuje por cada elemento que se expulsa. Es más fácil ionizar el xenón, ya que se necesita un 10 por ciento menos de energía para perder un electrón. Y a diferencia del xenón, existe felizmente como un sólido bajo las condiciones relevantes, lo que hace que el almacenamiento sea mucho más simple. Solo un poco de calentamiento lo convertirá en el gas necesario para hacer funcionar el motor de iones.

La gran desventaja es que es un material corrosivo, lo que ha obligado a ThrustMe a usar cerámica para la mayoría de los materiales con los que podría entrar en contacto.

El diseño del propulsor incluía un tanque de combustible lleno de yodo sólido que se podía calentar con calentadores resistivos alimentados por paneles solares. El yodo en sí estaba dentro de un material de óxido de aluminio poroso que evita que se desintegre por las vibraciones que experimentó durante el lanzamiento (el óxido de aluminio tiene un 95 por ciento de espacio abierto, por lo que no arrojó mucho combustible). El tanque está conectado a la cámara de ionización a través de un pequeño tubo; Cuando el sistema se enfría después de su uso, se solidificará suficiente yodo en este tubo para aislar el combustible del mundo exterior.

Una vez en la cámara de ionización, el gas de yodo es bombardeado con electrones, inactivando los otros electrones, lo que resulta en la formación de un plasma. La rejilla eléctrica adyacente aceleró entonces los iones positivos de este plasma, creando un empuje. Se extrajeron electrones del plasma y se inyectaron en el haz de iones para mantener todo eléctricamente neutro.

Se colocaron extractores de calor en los componentes electrónicos y en las paredes del tubo de yodo, y el calor se recicló en el combustible de yodo a medida que se liberaba el propulsor. Esto mantuvo el requerimiento de energía para vaporizar el yodo en 1 vatio una vez que el propulsor alcanzó un estado estable.

Toda la configuración era increíblemente compacta, ocupaba la misma cantidad de espacio que un cubo de 10 centímetros de largo en cada lado y pesaba solo 1,2 kilogramos. Según algunas medidas, superó a un motor de xenón en un 50 por ciento.

Demostración basada en el espacio

El equipo de trabajo se transportó en un vehículo cúbico de 12 módulos que pesaba unos 20 kilogramos llamado Beihangkongshi-1. Y durante los últimos dos años, el propulsor se ha utilizado varias veces para hacer frente al movimiento del satélite y evitar posibles colisiones. El seguimiento por satélite y el monitoreo de los propulsores a bordo muestran que el propulsor a base de yodo funciona exactamente como lo hizo durante las pruebas en tierra.

Es importante repetir que la cantidad real de empuje es mínima, alrededor de 0,8 milinewtons durante la operación. Pero el propulsor podría mantenerlo fácilmente durante más de una hora, proporcionando suficiente empuje para moverlo a una órbita que estaba unos cientos de metros más alta. Entonces, aunque nada se puede poner en órbita, los dispositivos ThrustMe ciertamente pueden poner las cosas en órbita bastante bien.

La gran limitación de nuevo es la velocidad. Solo se mueve lentamente, y el yodo tarda unos 10 minutos en calentarse lo suficiente como para que el propulsor comience a funcionar. Si se necesita una maniobra de emergencia, no será suficiente. Pero, asumiendo que no hay nadie explosión de satélite En su vecindad, la mayoría de los peligros de los satélites se pueden identificar de antemano.

naturaleza temperamental, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04015-y (Acerca de los DOI).