Propulsor de íons - Ion thruster

O propulsor de íons NSTAR de 2,3  kW da NASA para a espaçonave Deep Space 1 durante um teste de fogo quente no Laboratório de Propulsão a Jato .
Teste de motor iônico NEXIS (2005)

Um propulsor de íons , acionamento de íons ou motor de íons é uma forma de propulsão elétrica usada para propulsão de espaçonaves . Ele cria empuxo acelerando íons usando eletricidade .

Um propulsor de íons ioniza um gás neutro ao extrair alguns elétrons dos átomos , criando uma nuvem de íons positivos . Esses propulsores de íons dependem principalmente da eletrostática, pois os íons são acelerados pela força de Coulomb ao longo de um campo elétrico . Os elétrons armazenados temporariamente são finalmente reinjetados por um neutralizador na nuvem de íons depois de passar pela grade eletrostática, de modo que o gás se torna neutro novamente e pode se dispersar livremente no espaço sem qualquer interação elétrica adicional com o propulsor. Em contraste, os propulsores eletromagnéticos usam a força de Lorentz para acelerar todas as espécies (elétrons livres, bem como íons positivos e negativos) na mesma direção, qualquer que seja sua carga elétrica , e são especificamente referidos como motores de propulsão de plasma , onde o campo elétrico não está em a direção da aceleração.

Propulsores de íons em uso operacional normalmente consomem 1-7 kW de potência , têm velocidades de exaustão em torno de 20-50 km / s ( I sp 2.000-5000  s) e possuem impulsos de 25-250 mN e uma eficiência de propulsão de 65-80%. embora as versões experimentais tenham alcançado 100 kW (130 hp), 5 N (1,1 lb f ).

A espaçonave Deep Space 1 , movida por um propulsor de íons, mudou a velocidade em 4,3 km / s (2,7 mi / s) enquanto consumia menos de 74 kg (163 lb) de xenônio . A espaçonave Dawn quebrou o recorde, com uma mudança de velocidade de 11,5 km / s (41.000 km / h), embora fosse apenas metade tão eficiente, exigindo 425 kg (937 lb) de xenônio.

As aplicações incluem o controle da orientação e posição dos satélites em órbita (alguns satélites têm dezenas de propulsores iônicos de baixa potência) e uso como motor de propulsão principal para veículos espaciais robóticos de baixa massa (como Deep Space 1 e Dawn ).

Os motores de íons de impulso são práticos apenas no vácuo do espaço e não podem levar veículos através da atmosfera porque os motores de íons não funcionam na presença de íons fora do motor; além disso, o impulso minúsculo do motor não pode superar nenhuma resistência significativa do ar. Além disso, apesar da presença de uma atmosfera (ou falta dela), um motor iônico não pode gerar empuxo suficiente para atingir a decolagem inicial de qualquer corpo celeste com gravidade superficial significativa . Por essas razões, as espaçonaves devem contar com foguetes químicos convencionais para alcançar sua órbita inicial .

Origens

Nave espacial SERT-1

A primeira pessoa que escreveu um artigo apresentando a ideia publicamente foi Konstantin Tsiolkovsky em 1911. A técnica foi recomendada para condições de quase vácuo em grandes altitudes, mas o empuxo foi demonstrado com correntes de ar ionizado na pressão atmosférica. A ideia apareceu novamente em " Wege zur Raumschiffahrt " (Ways to Spaceflight) de Hermann Oberth , publicado em 1923, onde ele explicou seus pensamentos sobre a economia em massa da propulsão elétrica, previu seu uso na propulsão de naves espaciais e controle de atitude , e defendeu a eletrostática aceleração de gases carregados.

Um propulsor de íons funcional foi construído por Harold R. Kaufman em 1959 nas instalações do Glenn Research Center da NASA . Era semelhante a um propulsor iônico eletrostático em grade e mercúrio usado como propelente. Os testes suborbitais foram realizados durante a década de 1960 e em 1964, o motor foi enviado para um vôo suborbital a bordo do Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). Ele operou com sucesso pelos 31 minutos planejados antes de cair na Terra. Este teste foi seguido por um teste orbital, SERT-2, em 1970.

Uma forma alternativa de propulsão elétrica, o propulsor de efeito Hall , foi estudado independentemente nos Estados Unidos e na União Soviética nas décadas de 1950 e 1960. Os propulsores de efeito Hall operaram em satélites soviéticos de 1972 até o final da década de 1990, usados ​​principalmente para estabilização de satélites nas direções norte-sul e leste-oeste. Cerca de 100–200 motores completaram missões em satélites soviéticos e russos . O projeto do propulsor soviético foi apresentado ao Ocidente em 1992 depois que uma equipe de especialistas em propulsão elétrica, com o apoio da Organização de Defesa de Mísseis Balísticos , visitou os laboratórios soviéticos.

Princípio geral de trabalho

Os propulsores de íons usam feixes de íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados) para criar o impulso de acordo com a conservação do momento . O método de aceleração dos íons varia, mas todos os projetos aproveitam a relação carga / massa dos íons. Essa proporção significa que diferenças de potencial relativamente pequenas podem criar altas velocidades de exaustão. Isso reduz a quantidade de massa de reação ou propelente necessária, mas aumenta a quantidade de energia específica necessária em comparação com foguetes químicos . Os propulsores de íons são, portanto, capazes de atingir altos impulsos específicos . A desvantagem do baixo empuxo é a baixa aceleração porque a massa da unidade de energia elétrica se correlaciona diretamente com a quantidade de energia. Este baixo empuxo torna os propulsores iônicos inadequados para lançar espaçonaves em órbita, mas eficazes para propulsão no espaço.

Os propulsores de íons são classificados como eletrostáticos ou eletromagnéticos . A principal diferença é o método para acelerar os íons.

  • Os propulsores de íons eletrostáticos usam a força de Coulomb e aceleram os íons na direção do campo elétrico.
  • Os propulsores de íons eletromagnéticos usam a força de Lorentz para mover os íons.

A energia elétrica para propulsores de íons é geralmente fornecida por painéis solares . No entanto, para distâncias suficientemente grandes do sol, a energia nuclear pode ser usada. Em cada caso, a massa da fonte de alimentação é proporcional à potência de pico que pode ser fornecida, e ambas fornecem, para esta aplicação, quase nenhum limite para a energia.

Propulsores elétricos tendem a produzir baixo impulso, o que resulta em baixa aceleração. Definindo , a aceleração gravitacional padrão da Terra , e observando que , isso pode ser analisado. Um propulsor NSTAR produzindo uma força de empuxo de 92 mN irá acelerar um satélite com uma massa de 1 Mg em 0,092 N / 1000 kg = 9,2 × 10 −5 m / s 2 (ou 9,38 × 10 −6 g ). No entanto, essa aceleração pode ser sustentada por meses ou anos seguidos, em contraste com as queimaduras muito curtas de foguetes químicos.     

Onde:

O propulsor iônico não é o tipo mais promissor de propulsão de espaçonave movida a eletricidade , mas é o mais bem-sucedido na prática até hoje. Uma unidade de íon exigiria dois dias para acelerar um carro até a velocidade da rodovia no vácuo. As características técnicas, principalmente o empuxo , são consideravelmente inferiores aos protótipos descritos na literatura, as capacidades técnicas são limitadas pela carga espacial criada pelos íons. Isso limita a densidade de empuxo ( força por área da seção transversal do motor). Os propulsores de íons criam pequenos níveis de impulso (o impulso do Espaço Profundo 1 é aproximadamente igual ao peso de uma folha de papel) em comparação com foguetes químicos convencionais , mas alcançam alto impulso específico , ou eficiência de massa do propelente, acelerando o escapamento para alta velocidade. A potência transmitida ao escapamento aumenta com o quadrado da velocidade do escapamento, enquanto o aumento do empuxo é linear. Por outro lado, foguetes químicos fornecem alto empuxo, mas são limitados em impulso total pela pequena quantidade de energia que pode ser armazenada quimicamente nos propelentes. Dado o peso prático das fontes de energia adequadas, a aceleração de um propulsor de íons é frequentemente inferior a um milésimo da gravidade padrão . No entanto, como operam como motores elétricos (ou eletrostáticos), eles convertem uma fração maior da potência de entrada em potência cinética de exaustão. Foguetes químicos operam como motores térmicos e o teorema de Carnot limita a velocidade de exaustão.

Propulsores eletrostáticos

Propulsores de íons eletrostáticos em grade

Um diagrama de como funciona um motor iônico eletrostático em grade (tipo cúspide magnética multipolar)

O desenvolvimento de propulsores iônicos eletrostáticos em grade começou na década de 1960 e, desde então, tem sido usado para propulsão de satélites comerciais e missões científicas. Sua principal característica é que o processo de ionização do propelente é fisicamente separado do processo de aceleração de íons.

O processo de ionização ocorre na câmara de descarga, onde, por meio do bombardeio do propelente com elétrons energéticos, a energia transferida ejeta elétrons de valência dos átomos do gás propelente. Esses elétrons podem ser fornecidos por um filamento de cátodo quente e acelerados através da diferença de potencial em direção a um ânodo. Alternativamente, os elétrons podem ser acelerados por um campo elétrico induzido oscilante criado por um eletroímã alternado, que resulta em uma descarga autossustentável sem um cátodo (propulsor de íons de radiofrequência).

Os íons carregados positivamente são extraídos por um sistema que consiste em 2 ou 3 grades de abertura múltipla. Depois de entrar no sistema de grade perto da bainha de plasma, os íons são acelerados pela diferença de potencial entre a primeira grade e a segunda grade (chamada de grade de tela e grade de acelerador, respectivamente) para a energia iônica final de (tipicamente) 1–2 keV , que gera impulso.

Os propulsores de íons emitem um feixe de íons carregados positivamente. Para evitar que a espaçonave acumule carga, outro cátodo é colocado próximo ao motor para emitir elétrons para o feixe de íons, deixando o propelente eletricamente neutro. Isso evita que o feixe de íons seja atraído (e retorne) para a espaçonave, o que cancelaria o impulso.

Pesquisa de propulsor de íons eletrostáticos em grade (passado / presente):

  • NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), 2,3 kW, usado em duas missões bem-sucedidas
  • Evolutionary Xenon Thruster ( NEXT ) da NASA , 6,9 kW, hardware de qualificação de vôo construído
  • Sistema elétrico nuclear de íons de xenônio (NEXIS)
  • Propulsão elétrica de alta potência ( HiPEP ), 25 kW, exemplo de teste construído e executado brevemente no solo
  • EADS Radio-Frequency Ion Thruster (RIT)
  • Dual-Stage 4-Grid (DS4G)

Propulsores de efeito Hall

Esquema de um propulsor de efeito Hall

Os propulsores de efeito Hall aceleram os íons por meio de um potencial elétrico entre um ânodo cilíndrico e um plasma carregado negativamente que forma o cátodo. A maior parte do propelente (tipicamente xenônio) é introduzida perto do ânodo, onde se ioniza e flui em direção ao cátodo; os íons aceleram em sua direção e através dele, pegando elétrons à medida que saem para neutralizar o feixe e deixar o propulsor em alta velocidade.

O ânodo está em uma extremidade de um tubo cilíndrico. No centro está uma ponta que é enrolada para produzir um campo magnético radial entre ela e o tubo circundante. Os íons não são afetados pelo campo magnético, pois são muito massivos. No entanto, os elétrons produzidos perto do final do pico para criar o cátodo são capturados pelo campo magnético e mantidos no lugar por sua atração pelo ânodo. Alguns dos elétrons descem em espiral em direção ao ânodo, circulando em torno do pico de uma corrente Hall. Quando alcançam o ânodo, eles impactam o propelente descarregado e fazem com que ele seja ionizado, antes de finalmente alcançar o ânodo e completar o circuito.

Propulsão elétrica de emissão de campo

Propulsores de propulsão elétrica de emissão de campo (FEEP) podem usar propelentes de césio ou índio . O projeto compreende um pequeno reservatório de propelente que armazena o metal líquido, um tubo estreito ou um sistema de placas paralelas por onde o líquido flui e um acelerador (um anel ou uma abertura alongada em uma placa metálica) cerca de um milímetro após a extremidade do tubo. O césio e o índio são usados ​​devido aos seus altos pesos atômicos, baixos potenciais de ionização e baixos pontos de fusão. Uma vez que o metal líquido atinge o final do tubo, um campo elétrico aplicado entre o emissor e o acelerador faz com que a superfície do líquido se deforme em uma série de cúspides salientes, ou cones de Taylor . Com uma voltagem aplicada suficientemente alta, os íons positivos são extraídos das pontas dos cones. O campo elétrico criado pelo emissor e pelo acelerador acelera os íons. Uma fonte externa de elétrons neutraliza o fluxo de íons carregados positivamente para evitar o carregamento da espaçonave.

Propulsores eletromagnéticos

Propulsores indutivos pulsados

Os propulsores indutivos pulsados (PIT) usam pulsos em vez de impulso contínuo e têm a capacidade de funcionar em níveis de potência da ordem de megawatts (MW). Os PITs consistem em uma grande bobina que envolve um tubo em forma de cone que emite o gás propelente. A amônia é o gás mais comumente usado. Para cada pulso, uma grande carga se acumula em um grupo de capacitores atrás da bobina e é então liberada. Isso cria uma corrente que se move circularmente na direção de jθ. A corrente então cria um campo magnético na direção radial externa (Br), que então cria uma corrente no gás que acabou de ser liberado na direção oposta da corrente original. Essa corrente oposta ioniza a amônia. Os íons carregados positivamente são acelerados para longe do motor devido ao campo elétrico jθ cruzando o campo magnético Br, devido à Força de Lorentz.

Propulsor magnetoplasmadinâmico

Os propulsores magnetoplasmadinâmicos (MPD) e aceleradores de força Lorentz de lítio (LiLFA) usam aproximadamente a mesma ideia. O propulsor LiLFA baseia-se no propulsor MPD. Hidrogênio , argônio , amônia e nitrogênio podem ser usados ​​como propulsores. Em uma determinada configuração, o gás ambiente em órbita baixa da Terra (LEO) pode ser usado como propelente. O gás entra na câmara principal, onde é ionizado em plasma pelo campo elétrico entre o ânodo e o cátodo . Este plasma então conduz eletricidade entre o ânodo e o cátodo, fechando o circuito. Essa nova corrente cria um campo magnético ao redor do cátodo, que se cruza com o campo elétrico, acelerando assim o plasma devido à força de Lorentz.

O propulsor LiLFA usa a mesma ideia geral do propulsor MPD, com duas diferenças principais. Primeiro, o LiLFA usa vapor de lítio, que pode ser armazenado como um sólido. A outra diferença é que o cátodo único é substituído por várias hastes catódicas menores acondicionadas em um tubo catódico oco . Os cátodos MPD são facilmente corroídos devido ao contato constante com o plasma. No propulsor LiLFA, o vapor de lítio é injetado no cátodo oco e não é ionizado para formar / corroer as hastes do cátodo até que saia do tubo. O plasma é então acelerado usando a mesma força de Lorentz .

Em 2013, a empresa russa Chemical Automatics Design Bureau conduziu com sucesso um teste de bancada de seu motor MPD para viagens espaciais de longa distância.

Propulsores de plasma sem eletrodos

Os propulsores de plasma sem eletrodos têm duas características únicas: a remoção dos eletrodos anódicos e catódicos e a capacidade de acelerar o motor. A remoção dos eletrodos elimina a erosão, o que limita a vida útil de outros motores iônicos. O gás neutro é primeiro ionizado por ondas eletromagnéticas e depois transferido para outra câmara onde é acelerado por um campo elétrico e magnético oscilante, também conhecido como força ponderomotriz . Esta separação dos estágios de ionização e aceleração permite o estrangulamento do fluxo do propelente, que então muda a magnitude do empuxo e os valores específicos do impulso.

Propulsores de dupla camada Helicon

Um propulsor de camada dupla de helicon é um tipo de propulsor de plasma que ejeta gás ionizado de alta velocidade para fornecer impulso . Neste projeto, o gás é injetado em uma câmara tubular (o tubo fonte ) com uma extremidade aberta. A energia CA de radiofrequência (a 13,56 MHz no projeto do protótipo) é acoplada a uma antena de formato especial enrolada ao redor da câmara. A onda eletromagnética emitida pela antena faz com que o gás se decomponha e forme um plasma. A antena então excita uma onda de helicóptero no plasma, que o aquece ainda mais. O dispositivo tem um campo magnético quase constante no tubo fonte (fornecido por solenóides no protótipo), mas o campo magnético diverge e diminui rapidamente em magnitude longe da região da fonte e pode ser considerado uma espécie de bico magnético . Em operação, uma fronteira nítida separa o plasma de alta densidade dentro da região da fonte e o plasma de baixa densidade no escapamento, que está associado a uma mudança abrupta no potencial elétrico. As propriedades do plasma mudam rapidamente através dessa fronteira, que é conhecida como camada dupla elétrica sem corrente . O potencial elétrico é muito maior dentro da região da fonte do que no escapamento e isso serve tanto para confinar a maioria dos elétrons quanto para acelerar os íons para longe da região da fonte. Eletrons suficientes escapam da região de origem para garantir que o plasma no escapamento seja neutro em geral.

Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável (VASIMR)

O foguete de magnetoplasma de impulso específico variável proposto (VASIMR) funciona usando ondas de rádio para ionizar um propelente em um plasma e, em seguida, usando um campo magnético para acelerar o plasma da parte de trás do motor do foguete para gerar impulso. O VASIMR está sendo desenvolvido pelo Ad Astra foguete empresa , com sede em Houston , Texas , com a ajuda do Canadá baseados Nautel , produzindo os geradores de 200 kW de RF para propulsor ionizante. Alguns dos componentes e experimentos de "brotos de plasma" são testados em um laboratório instalado na Libéria, Costa Rica . Este projeto é liderado pelo ex-astronauta da NASA, Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-EUA). Um motor de teste VASIMR de 200 kW estava em discussão para ser instalado no exterior da Estação Espacial Internacional , como parte do plano para testar o VASIMR no espaço - no entanto, os planos para este teste a bordo da ISS foram cancelados em 2015 pela NASA , com um teste de vôo VASIMR sendo discutido pela Ad Astra em vez disso. Um motor de 200 megawatts previsto poderia reduzir a duração do vôo da Terra a Júpiter ou Saturno de seis anos para quatorze meses, e Marte de 7 meses para 39 dias.

Propulsores eletrotérmicos de micro-ondas

Componentes do propulsor
Componentes do propulsor
Câmara de Descarga
Câmara de descarga

Sob uma bolsa de pesquisa do NASA Lewis Research Center durante as décadas de 1980 e 1990, Martin C. Hawley e Jes Asmussen lideraram uma equipe de engenheiros no desenvolvimento de um Propulsor Eletrotérmico de Microondas (MET).

Na câmara de descarga, a energia de microondas (MW) flui para o centro contendo um alto nível de íons (I), causando a ionização de espécies neutras no propelente gasoso . As espécies excitadas fluem para fora (FES) através da região de baixo íon (II) para uma região neutra (III) onde os íons completam sua recombinação , substituída pelo fluxo de espécies neutras (FNS) em direção ao centro. Enquanto isso, a energia é perdida para as paredes da câmara através da condução e convecção de calor (HCC), juntamente com a radiação (Rad). A energia restante absorvida no propelente gasoso é convertida em empuxo .

Propulsor de radioisótopo

Um sistema de propulsão teórico foi proposto, baseado em partículas alfa ( He2+
ou 4
2
Ele2+
indicando um íon de hélio com uma carga +2) emitido de um radioisótopo unidirecionalmente através de um orifício em sua câmara. Um canhão de elétrons neutralizantes produziria uma pequena quantidade de impulso com alto impulso específico da ordem de milhões de segundos devido à alta velocidade relativística das partículas alfa.

Uma variante disso usa uma grade à base de grafite com uma alta tensão DC estática para aumentar o empuxo, pois a grafite tem alta transparência para partículas alfa se também for irradiada com luz UV de onda curta no comprimento de onda correto de um emissor de estado sólido. Também permite fontes de menor energia e meia-vida mais longa, o que seria vantajoso para uma aplicação espacial. O preenchimento de hélio também foi sugerido como uma forma de aumentar o caminho livre médio do elétron.

Comparações

Dados de teste de alguns propulsores de íons
Propulsor Propulsor
Potência de entrada (kW)

Impulso
(s) específico (s)
Empuxo
(mN)

Massa do propulsor (kg)
Notas
NSTAR Xenon 2,3 3300 -1700 92 máx. 8,33 Usado nas sondas espaciais Deep Space 1 e Dawn
Efeito Hall PPS-1350 Xenon 1,5 1660 90 5,3
PRÓXIMO Xenon 6,9 4190 236 máx. <13,5 Para ser usado na missão DART
X3 Xenon ou Krypton 102 1800-2650 5400 230
NEXIS Xenon 20,5
RIT 22 Xenon 5
BHT8000 Xenon 8 2210 449 25
Efeito Hall Xenon 75
FEEP Césio líquido 6 × 10 −5 - 0,06 6000 -10 000 0,001-1
AEPS Xenon 13,3 2900 600 25 Para ser usado no módulo PPE do Lunar Gateway .
Propulsores experimentais (sem missão até o momento)
Propulsor Propulsor
Potência de entrada (kW)

Impulso
(s) específico (s)
Empuxo
(mN)

Massa do propulsor (kg)
Notas
Efeito Hall Bismuto 1,9 1520 (ânodo) 143 (alta)
Efeito Hall Bismuto 25
Efeito Hall Bismuto 140
Efeito Hall Iodo 0,2 1510 (ânodo) 12,1 (alta)
Efeito Hall Iodo 7 1950 413
HiPEP Xenon 20–50 6000 -9000 460-670
MPDT Hidrogênio 1500 4900 26 300
MPDT Hidrogênio 3750 3500 88 500
MPDT Hidrogênio 7500 6.000 60 000
LiLFA Vapor de lítio 500 4077 12 000
FEEP Césio líquido 6 × 10 −5 - 0,06 6000 -10 000 0,001-1
VASIMR Argônio 200 3000 -12 000 Aproximadamente 5000 620
GATO Xenon, iodo, água 0,01 690 1,1–2 (73 mN / kW) <1
DS4G Xenon 250 19 300 2500 máx. 5
KLIMT Krypton 0,5 4
ID-500 Xenon 32-35 7140 375-750 34,8 Para ser usado no TEM

Tempo de vida

O baixo empuxo dos propulsores de íons requer operação contínua por um longo tempo para atingir a mudança necessária na velocidade ( delta-v ) para uma missão particular. Os propulsores de íons são projetados para fornecer operação contínua por intervalos de semanas a anos.

A vida útil dos propulsores de íons eletrostáticos é limitada por vários processos. Em projetos de grade eletrostática, os íons de troca de carga produzidos pelos íons do feixe com o fluxo de gás neutro podem ser acelerados em direção à grade do acelerador com polarização negativa e causar a erosão da grade. O fim da vida útil é alcançado quando a estrutura da grade falha ou os orifícios na grade tornam-se grandes o suficiente para que a extração de íons seja substancialmente afetada; por exemplo, pela ocorrência de backstreaming de elétrons. A erosão da grade não pode ser evitada e é o principal fator limitante da vida útil. O design completo da grade e a seleção do material permitem uma vida útil de 20.000 horas ou mais.

Um teste do propulsor iônico eletrostático da NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) resultou em 30.472 horas (aproximadamente 3,5 anos) de impulso contínuo com potência máxima. O exame pós-teste indicou que o motor não estava se aproximando da falha.

O projeto NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) operou continuamente por mais de 48.000 horas. O teste foi conduzido em uma câmara de teste de alto vácuo. Ao longo do teste de 5,5+ anos, o motor consumiu aproximadamente 870 kg de propelente de xenônio. O impulso total gerado exigiria mais de 10.000 kg de propelente de foguete convencional para uma aplicação semelhante.

O Sistema de Propulsão Elétrica Avançada (AEPS) deve acumular cerca de 5.000 horas e o projeto visa atingir um modelo de vôo que oferece meia-vida de pelo menos 23.000 horas e uma vida completa de cerca de 50.000 horas.

Os propulsores Hall sofrem forte erosão da câmara de descarga de cerâmica pelo impacto de íons energéticos: um teste relatado em 2010 mostrou erosão de cerca de 1 mm por cem horas de operação, embora isso seja inconsistente com tempos de vida em órbita observados de alguns milhares de horas.

Propelentes

A energia de ionização representa uma grande porcentagem da energia necessária para operar as unidades de íons. O propelente ideal é, portanto, fácil de ionizar e tem uma alta relação massa / energia de ionização. Além disso, o propelente não deve corroer o propulsor em nenhum grau para permitir uma vida longa; e não deve contaminar o veículo.

Muitos projetos atuais usam gás xenônio , pois é fácil de ionizar, tem um número atômico razoavelmente alto, é inerte e causa baixa erosão. No entanto, o xenônio é globalmente escasso e caro.

Alguns projetos de propulsores de íons mais antigos usavam propelente de mercúrio . No entanto, o mercúrio é tóxico, tende a contaminar espaçonaves e era difícil de ser alimentado com precisão. Um protótipo comercial moderno pode usar o mercúrio com sucesso.

Outros propelentes, como o bismuto e o iodo , são promissores tanto para designs sem grade, como propulsores de efeito Hall e propulsores de íons em grade.

Pela primeira vez no espaço, o iodo foi usado como propulsor para propulsão elétrica no propulsor de íons em grade NPT30-I2 da ThrustMe , a bordo da missão Beihangkongshi-1 lançada em novembro de 2020. O CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) usado no Mars Array de Satélites de Pesquisa Ionosférica usando a missão CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) também propõe o uso de iodo sólido como propelente para minimizar o volume de armazenamento.

O projeto do VASIMR (e outros motores baseados em plasma) são teoricamente capazes de usar praticamente qualquer material como propelente. No entanto, nos testes atuais, o propelente mais prático é o argônio , que é relativamente abundante e barato.

Krypton é usado para alimentar os propulsores de efeito Hall a bordo dos satélites de internet Starlink , em parte devido ao seu custo mais baixo do que o propelente de xenônio convencional .

Eficiência energética

Trama de   eficiência propulsiva instantânea e  eficiência geral para um veículo acelerando do repouso como porcentagens da eficiência do motor. Observe que o pico de eficiência do veículo ocorre em cerca de 1,6 vezes a velocidade do escapamento.

A eficiência do propulsor de íons é a energia cinética do jato de exaustão emitida por segundo dividida pela energia elétrica no dispositivo.

A eficiência energética geral do sistema é determinada pela eficiência propulsiva , que depende da velocidade do veículo e da velocidade de exaustão. Alguns propulsores podem variar a velocidade de exaustão em operação, mas todos podem ser projetados com diferentes velocidades de exaustão. Na extremidade inferior do impulso específico, I sp , a eficiência geral cai, porque a ionização consome uma porcentagem maior de energia e na extremidade superior a eficiência propulsiva é reduzida.

As eficiências e velocidades de exaustão ideais para qualquer missão podem ser calculadas para fornecer o custo geral mínimo.

Missões

Os propulsores de íons têm muitas aplicações de propulsão no espaço. As melhores aplicações fazem uso do longo intervalo de missão quando o impulso significativo não é necessário. Exemplos disso incluem transferências de órbita, ajustes de atitude , compensação de arrasto para órbitas baixas da Terra , ajustes finos para missões científicas e transporte de carga entre depósitos de propelentes , por exemplo, para combustíveis químicos. Os propulsores de íons também podem ser usados ​​para missões interplanetárias e no espaço profundo, onde as taxas de aceleração não são cruciais. O empuxo contínuo por longos períodos pode atingir altas velocidades enquanto consome muito menos propelente do que os foguetes químicos tradicionais.

Entre os propulsores elétricos, os propulsores iônicos receberam a consideração comercial e acadêmica mais séria. Os propulsores de íons são vistos como a melhor solução para essas missões, pois exigem grande mudança na velocidade, mas não requerem aceleração rápida.

Veículos de demonstração

SERT

Os sistemas de propulsão iônica foram demonstrados pela primeira vez no espaço pelas missões Space Electric Rocket Test (SERT) -1 e SERT-2A da NASA Lewis (agora Glenn Research Center) . Um voo suborbital SERT-1 foi lançado em 20 de julho de 1964 e provou com sucesso que a tecnologia funcionava como previsto no espaço. Estes eram propulsores de íons eletrostáticos usando mercúrio e césio como massa de reação. O SERT-2A, lançado em 4 de fevereiro de 1970, verificou o funcionamento de dois motores de íon mercúrio por milhares de horas de funcionamento.

Missões operacionais

Os propulsores iônicos são rotineiramente usados ​​para manutenção de estações em satélites de comunicação comerciais e militares em órbita geossíncrona. A União Soviética foi pioneira neste campo, usando propulsores de plasma estacionários (SPTs) em satélites a partir do início dos anos 1970.

Dois satélites geoestacionários ( Artemis da ESA em 2001–2003 e AEHF-1 do exército dos Estados Unidos em 2010–2012) usaram o propulsor de íons para mudar de órbita depois que o motor químico-propelente falhou. A Boeing começou a usar propulsores de íons para manutenção da estação em 1997 e planejou em 2013–2014 oferecer uma variante em sua plataforma 702, sem motor químico e propulsores de íons para elevação de órbita; isso permite uma massa de lançamento significativamente menor para uma determinada capacidade de satélite. AEHF-2 usou um motor químico para elevar o perigeu a 16.330 km (10.150 mi) e passou para a órbita geossíncrona usando propulsão elétrica.

Em órbita terrestre

Estação espacial Tiangong

A estação espacial chinesa de Tiangong está equipada com propulsores de íons. O módulo central Tianhe é impulsionado por propulsores químicos e quatro propulsores de efeito Hall, que são usados ​​para ajustar e manter a órbita da estação. O desenvolvimento de propulsores de efeito Hall é considerado um assunto delicado na China, com cientistas "trabalhando para melhorar a tecnologia sem chamar atenção". Os propulsores de efeito Hall são criados com a segurança da missão tripulada em mente, com esforço para evitar a erosão e os danos causados ​​pelas partículas de íons aceleradas. Um campo magnético e uma proteção de cerâmica especialmente projetada foram criados para repelir partículas prejudiciais e manter a integridade dos propulsores. De acordo com a Academia Chinesa de Ciências , a unidade de íons usada em Tiangong queimou continuamente por 8.240 horas sem uma falha, indicando sua adequação para a vida útil de 15 anos da estação espacial chinesa.

Starlink

SpaceX 's Starlink constelação de satélites propulsores usos íon alimentado por krypton a órbita aumento, executar manobras e de órbita no final de seu uso.

GOCE

O Gravity Field e Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) da ESA foi lançado em 16 de março de 2009. Ele usou a propulsão iônica ao longo de sua missão de vinte meses para combater a resistência do ar que experimentou em sua órbita baixa (altitude de 255 quilômetros) antes de desorbitar intencionalmente em 11 de novembro de 2013.

No espaço profundo

Espaço Profundo 1

A NASA desenvolveu o motor iônico NSTAR para uso em missões científicas interplanetárias começando no final da década de 1990. Foi testado no espaço na sonda espacial de grande sucesso Deep Space 1 , lançada em 1998. Este foi o primeiro uso de propulsão elétrica como sistema de propulsão interplanetário em uma missão científica. Com base nos critérios de projeto da NASA, o Hughes Research Labs desenvolveu o Xenon Ion Propulsion System (XIPS) para realizar a manutenção de estações em satélites geossíncronos . Hughes (EDD) fabricou o propulsor NSTAR usado na espaçonave.

Hayabusa

A sonda espacial Hayabusa da Agência de Exploração Aeroespacial Japonesa foi lançada em 2003 e encontrou-se com sucesso com o asteróide 25143 Itokawa . Ele era movido por quatro motores de íon xenônio, que usavam ressonância cíclotron de elétrons de microondas para ionizar o propelente e um material composto de carbono / carbono resistente à erosão para sua grade de aceleração. Embora os motores iônicos na Hayabusa tenham passado por dificuldades técnicas, a reconfiguração em vôo permitiu que um dos quatro motores fosse reparado e permitiu que a missão retornasse à Terra com sucesso.

Smart 1

O satélite SMART-1 da Agência Espacial Europeia foi lançado em 2003 usando um propulsor Snecma PPS-1350 -G Hall para ir do GTO à órbita lunar. Este satélite completou sua missão em 3 de setembro de 2006, em uma colisão controlada na superfície da Lua , após um desvio de trajetória para que os cientistas pudessem ver a cratera de 3 metros, o impacto criado no lado visível da Lua.

Alvorecer

O Dawn foi lançado em 27 de setembro de 2007 para explorar o asteróide Vesta e o planeta anão Ceres . Ele usou trêspropulsores de íons de xenônio herdados da Deep Space 1 (disparando um de cada vez). O acionamento iônico de Dawn é capaz de acelerar de 0 a 97 km / h (60 mph) em 4 dias de disparo contínuo. A missão terminou em 1º de novembro de 2018, quando a espaçonave ficou sempropelente químicode hidrazina para seus propulsores de atitude.

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder é uma espaçonave ESA lançada em 2015. Ela não usa propulsores de íons como seu sistema de propulsão principal, mas usa propulsores coloidais e FEEP para controle de atitude preciso - os baixos impulsos desses dispositivos de propulsão tornam possível mover a nave em distâncias incrementais com precisão. É um teste para a missão LISA . A missão terminou em 30 de dezembro de 2017.

BepiColombo

ESA 's BepiColombo missão foi lançada a Mercury em 20 de outubro de 2018. Ele usa íon propulsores em combinação com swing-bys para chegar a Mercúrio, onde um foguete químico irá completar inserção em órbita.

Missões propostas

Estação Espacial Internacional

Em março de 2011, um futuro lançamento de um propulsor eletromagnético VASIMR Ad Astra VF-200 200 kW estava sendo considerado para teste na Estação Espacial Internacional (ISS). No entanto, em 2015, a NASA encerrou os planos de voar o VF-200 para a ISS. Um porta-voz da NASA afirmou que a ISS "não era uma plataforma de demonstração ideal para o nível de desempenho desejado dos motores". Ad Astra afirmou que os testes de um propulsor VASIMR na ISS permaneceriam uma opção após uma futura demonstração no espaço.

O VF-200 teria sido uma versão de vôo do VX-200 . Uma vez que a energia disponível do ISS é inferior a 200 kW, o ISS VASIMR teria incluído um sistema de bateria com carga residual permitindo 15 minutos de impulso de impulso. A ISS orbita a uma altitude relativamente baixa e experimenta níveis bastante elevados de arrasto atmosférico , exigindo aumentos periódicos de altitude - um motor de alta eficiência (alto impulso específico) para a manutenção da estação seria valioso, teoricamente a reinicialização do VASIMR poderia reduzir o custo de combustível dos atuais EUA $ 210 milhões anualmente para um vigésimo. O VASIMR poderia, em teoria, usar tão pouco quanto 300 kg de gás argônio para manutenção da estação ISS em vez de 7.500 kg de combustível químico - a alta velocidade de escape (alto impulso específico ) alcançaria a mesma aceleração com uma quantidade menor de propelente, em comparação com o produto químico propulsão com sua velocidade de escape mais baixa necessitando de mais combustível. O hidrogênio é gerado pela ISS como um subproduto e é liberado para o espaço.

A NASA trabalhou anteriormente em um propulsor de efeito Hall de 50 kW para a ISS, mas o trabalho foi interrompido em 2005.

Portal lunar

O Power and Propulsion Element (PPE) é um módulo no Lunar Gateway que fornece geração de energia e capacidades de propulsão. Ele tem como objetivo o lançamento em um veículo comercial em janeiro de 2024. Provavelmente usaria o Sistema de Propulsão Elétrica Avançada (AEPS) de 50 kW em desenvolvimento no NASA Glenn Research Center e na Aerojet Rocketdyne .

MARS-CAT

A missão MARS-CAT (Mars Array of ionospheric Research Satellites usando o CubeSat Ambipolar Thruster) é uma missão conceitual de dois CubeSat de 6U para estudar a ionosfera de Marte. A missão investigaria seu plasma e sua estrutura magnética, incluindo estruturas transientes de plasma, estrutura de campo magnético, atividade magnética e correlação com os impulsores do vento solar. O propulsor CAT é agora chamado de propulsor RF e fabricado pela Fase Quatro.

Missões interestelares

Geoffrey A. Landis propôs o uso de um propulsor iônico movido por um laser espacial, em conjunto com uma vela de luz, para impulsionar uma sonda interestelar.

Cultura popular

  • A ideia de um motor iônico apareceu pela primeira vez em De Avião ao Sol, de Donald W. Horner : Sendo as Aventuras de um Aviador Ousado e seus Amigos (1910).
  • A propulsão iônica é a principal fonte de impulso da espaçonave Kosmokrator no filme de ficção científica da Alemanha Oriental / Polonesa Der Schweigende Stern (1960). Minuto 28:10.
  • No episódio de 1968 de Star Trek , " Spock's Brain ", Scotty fica repetidamente impressionado com o uso do poder iônico por uma civilização.
  • Os propulsores de íons aparecem repetidamente na franquia Star Wars, mais notavelmente no caça Twin Ion Engine (TIE) .
  • Os propulsores de íons aparecem como a principal forma de propulsão no vácuo para a espaçonave no jogo Space Engineers .
  • Os propulsores de íons são referenciados como um método de propulsão espacial em The Martian , onde são usados ​​para impulsionar a nave espacial tripulada Hermes entre a Terra e Marte.
  • O íon drive é o principal meio de propulsão para espaçonaves e aeronaves da série de ficção científica Worlds Spinning Round de TE Greene (2005, 2012, 2017)

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos

Artigos