Una de las formas más prometedoras de propulsión para naves espaciales de largo alcance es la utilización de motores iónicos. Ya en utilización, está en constante evolución con la creación de motores cada vez más potentes. Estos motores no son químicos ni nucleares, capaces de funcionar durante muchos años consecutivos y, lo que es más importante, capaces de propulsar una nave espacial a velocidades increíbles, del orden de miles de kilómetros por segundo. Sí, por segundo, una fracción significativa de la velocidad de la luz.
Nota: Este artículo fue publicado en la revista Mecatrónica Joven 21 – Edición Aeroespacial, de febrero de 2025. También tenemos artículos relacionados en el sitio web que muestran el montaje de un prototipo. ART5593
No vamos a enseñar al lector a montar un motor "real" que pueda propulsar un cohete al espacio, ya que estos motores solo funcionan bien en el vacío. Sin embargo, podemos montar una miniatura que funcione en la atmósfera y que haga que una maqueta de nave espacial se mueva de forma muy interesante. En esta revista, describimos el montaje de uno y, al final del artículo, incluimos un enlace a uno que publicamos anteriormente y que tuvo mucho éxito. En la figura 1 se puede ver una foto del prototipo de nuestro antiguo motor.
En este prototipo que gira y emite un haz ionizante visible en la oscuridad, la nave fue realizada con una pequeña lámpara de neón que se ilumina con la alta tensión generada.
Nuestro proyecto para esta revista, al igual que el anterior, consiste en un excelente proyecto decorativo, educativo e incluso experimental si el lector desea realizar investigaciones para aumentar la capacidad de propulsión de este tipo de motores.
Dado que el circuito opera con tensiones muy altas, que pueden alcanzar a los 20 000 volts o más, recomendamos a los usuarios tener mucho cuidado al utilizar este dispositivo, no tocando nunca partes activas mientras esté en funcionamiento, especialmente la embarcación y el motor.
¿Qué son los motores iónicos?
Existen varios tipos de motores iónicos, ambos basados en el conocido "efecto de puntas", ampliamente estudiado en cursos de electrostática. Al cargar una esfera conductora, como se muestra en la figura 1, las cargas eléctricas tienden a distribuirse uniformemente sobre su superficie.
El campo eléctrico producido por las cargas no tiene una intensidad lineal. Si la densidad de carga se duplica, la intensidad del campo se multiplica por cuatro. Esta no linealidad, combinada con el efecto pelicular (las cargas permanecen en la superficie del cuerpo), provoca que las cargas se acumulen en zonas puntiagudas, es decir, áreas de mayor curvatura.
Así, si el cuerpo cargado es alargado, es decir, si tiene una región de mayor curvatura, la acción del campo eléctrico creado por las propias cargas hace que éstas tengan una mayor concentración precisamente en las regiones puntiagudas, como se muestra en la figura 3.
En estas regiones, las fuerzas repulsivas entre las cargas son mucho mayores, lo que significa que ocurre un fenómeno adicional si la curvatura o punta del objeto es muy aguda.
La capacidad del objeto para retener cargas tiene un límite. Si hay una concentración excesiva de estas cargas, es decir, si el potencial es demasiado alto y, en consecuencia, la fuerza repulsiva es demasiado fuerte, las cargas pueden escapar, como se muestra en la figura 4.
Si el objeto se encuentra en el aire (en la atmósfera), las cargas que escapan ionizan el aire ambiente, creando iones que, al tener la misma polaridad que las cargas acumuladas en la punta, se repelen. Surge entonces una fuerza repulsiva que, a su vez, genera una fuerza reactiva que tiende a empujar el cuerpo cargado hacia el lado opuesto, como se muestra en la figura 5.
Esto crea un flujo de iones que, al ser lanzados en una dirección, empujan el cuerpo cargado en la dirección opuesta. Este es precisamente el principio de funcionamiento de un motor iónico del tipo.
Este es el principio de funcionamiento del Motor de Iones de Plasma, que es precisamente lo que describimos en la sección práctica. Las cargas ionizan el aire cerca del electrodo puntiagudo, llevándolo a un estado conductor, es decir, un estado de plasma. Los iones se producen y repelen, generando la fuerza propulsora.
Téngase en cuenta que en este tipo de motor, al no haber atmósfera en el espacio, el gas que debe ionizarse para proporcionar propulsión debe ser transportado, lo cual supone una limitación.
Otro tipo muy interesante de motor iónico que el lector puede desarrollar a partir del mismo circuito es el E.H.D. o Electro-Fluid-Dynamics. Este tipo de motor, como se muestra en la figura 6, es muy similar al principio mediante el cual se obtiene la sustentación en un avión a partir del perfil del ala.
Cuando se carga un cuerpo conductor alargado, las cargas se distribuyen de tal manera que tienden a cargar el aire circundante por inducción, creando así una fuerza que lo mueve. Se forma entonces una región con valores de presión variables alrededor del cuerpo, capaz de crear una corriente de aire y, por lo tanto, generar la fuerza propulsora. En la figura 7 mostramos qué ocurre en un modelo que hace la utilización de este tipo de motor.
Observe que la diferencia con un motor de plasma radica en que no hay ionización. La mera presencia de cargas en el cuerpo crea la fuerza propulsora sin ionización.
Para este tipo de motor, el mayor problema reside en su funcionamiento en vacío. Al no haber gas para suministrar los iones que deben expulsarse, se inyecta una pequeña cantidad de gas en la punta cargada, como se muestra en la figura 8.
Tenga en cuenta que, en este caso, el gas no es el combustible (no se quema nada). El gas sólo proporciona los iones que serán repelidos para generar la fuerza propulsora.
Como variante de este sistema, tenemos la propulsión mediante iones extraídos de un material sólido y acelerados por un campo eléctrico. Sería como el funcionamiento de una válvula donde se calienta un cátodo cargado eléctricamente, capaz de expulsar iones, para que estos sean expulsados y, mediante un campo eléctrico, lanzados al espacio, generando la fuerza propulsora.
Cabe destacar que la fuerza propulsora obtenida depende tanto de la carga que adquieren los iones, de su cantidad y de su masa. Por ello, es común la utilización de gases pesados en los sistemas de propulsión. La velocidad a la que los iones son repelidos en un cohete que utiliza este principio es enorme. Puede alcanzar más de 80.000 km/s, ¡o un tercio de la velocidad de la luz!
Sin embargo, la fuerza propulsiva obtenida, incluso con tensiones muy altos y gases pesados, es muy pequeña, lo que significa que en la práctica un motor iónico tiene una velocidad teórica de como máximo alrededor de 100.000 km/h, e incluso entonces se alcanza después de un largo tiempo de aceleración.
Lo importante del sistema es que se puede utilizar un generador atómico para producir altas tensiones, y el gas utilizado, en pequeñas cantidades, puede durar años en una nave espacial. Esto hace que este tipo de propulsión sea interesante para naves espaciales que necesitan explorar regiones distantes del espacio, como las fronteras del sistema solar, donde un viaje dura décadas. La NASA tiene varios proyectos de este tipo en marcha, y muchos motores ya se utilizan en sus naves espaciales.
Si bien la propulsión iónica es viable para aplicaciones espaciales, en la atmósfera la resistencia del aire y el bajo empuje obtenido impiden aún que tenga aplicaciones prácticas significativas.
Sólo se pueden mover objetos que pesen unos pocos gramos, incluso cuando se utilizan tensiones del orden de decenas de miles de volts, como es el caso de nuestro prototipo.
¿Qué espera del futuro?
Por supuesto, como todo tipo de dispositivos tecnológicos, los motores iónicos tienen sus ventajas y desventajas.
Ventaja: Se pueden alcanzar enormes velocidades con recursos técnicos relativamente simples y, además, es una tecnología respetuosa con el medio ambiente.
La velocidad máxima teórica que puede alcanzar una nave espacial con propulsión iónica es de alrededor de 1/3 de la velocidad de la luz.
Les recordamos que, según la relatividad, un hecho que sigue vigente es que cuanto más nos acercamos a la velocidad de la luz, más fuerza necesitamos para aumentar la velocidad; es decir, más fuerza necesitamos para aumentar la aceleración. Entonces llega el punto en que la fuerza necesaria para impartir más aceleración iguala la fuerza del motor, y la nave espacial deja de acelerar.
Otra desventaja es que aún se trata de una tecnología en pleno desarrollo. Los motores aún tienen muy poco empuje, lo que significa que tardan mucho en acelerar.
Así, para acelerar a, por ejemplo, 10 millones de kilómetros por hora, lo que permitiría a la nave llegar a Marte en menos de 20 horas (dependiendo de su posición en órbita), aceleraría desde 20.000 kilómetros por hora a 21 000 kilómetros por hora, lo que requeriría 10.000 horas para alcanzar la velocidad máxima. ¡No habría tiempo suficiente para alcanzarla!
Incluso si la nave alcanzará su velocidad máxima, tendría que desacelerar mucho antes para evitar afectar a la tripulación. Imaginen llegar a Marte a 10 millones de kilómetros por hora y tener que empezar a frenar una hora antes. Hagamos los cálculos.
10 millones de kilómetros por hora significa 36.000.000.000 m/s.
36.000.000.000 metros por segundo en 3.600 segundos sería una aceleración de 10.000.000 m/s². Dividiendo por 9,8 m/s², que es la aceleración debida a la gravedad o G, da como resultado aproximadamente 1 millón de G. ¡La fuerza sobre la tripulación sería 1 millón de veces el peso de cada uno!
La NASA está planeando un cohete nuclear para 2026 en asociación con A DARPA. Con la idea de utilizarlo para un viaje a Marte, tendrá un motor nuclear e hidrógeno líquido que se calentará a 2.700 K y luego se utilizará para propulsión.
Link a las instrucciones de montaje en el sitio web:
https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica-e-mecatronica/3138-mec071.html
