Cómo funcionan los cohetes de plasma

Cinco. cuatro Tres. Dos. Una. ¡Despegar! En el cielo dispara una nave espacial , moviéndose rápidamente más allá de nuestra atmósfera y hacia el espacio exterior. En el último medio siglo, la gente ha pasado de mirar con asombro las estrellas que brillan en el cielo nocturno a vivir durante meses en la Estación Espacial Internacional entre los cuerpos celestes. Y aunque los humanos han puesto un pie en la luna, aterrizar en cualquier lugar más lejano se ha reservado solo para naves no tripuladas y robots.

Un lugar que la gente está muy interesada en visitar es Marte. Además de los desafíos reales de aterrizar y pasar el tiempo en un lugar tan poco acogedor como el planeta rojo, existe el gran obstáculo de llegar allí. En promedio, Marte está a unos 225,3 millones de kilómetros (140 millones de millas) de la Tierra. Incluso cuando está en su punto más cercano, todavía está a unas 35 millones de millas (56,3 millones de kilómetros) de distancia de nuestro planeta [fuente: St. Fleur ]. El uso de los cohetes químicos convencionales que normalmente nos llevan al espacio exterior tomaría al menos siete meses para llegar allí, no exactamente una cantidad de tiempo corta [fuente: Verhovek ]. ¿Hay alguna manera de que podamos hacerlo más rápido? ¡Entra en el cohete de plasma!

En lugar de usar combustible para cohetes convencional , los científicos e ingenieros han recurrido a la promesa de los cohetes de plasma para impulsarnos a los confines del espacio exterior. En este tipo de cohete, se utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos para descomponer los átomos y las moléculas de un gas propulsor en una colección de partículas que tienen carga positiva (iones) o carga negativa (electrones). En otras palabras, el gas propulsor se convierte en plasma.

En muchas configuraciones de este motor, se aplica un campo eléctrico para expulsar los iones por la parte posterior del motor, lo que proporciona empuje a la nave espacial en la dirección opuesta [fuente: Zyga ]. Con esta tecnología optimizada, una nave espacial teóricamente podría alcanzar una velocidad de 123 000 mph (198 000 kph) [fuente: Verhovek ]. ¡A esa velocidad, podrías ir de Nueva York a Los Ángeles en un minuto!

1. Plasma: el cuarto estado de la materia
2. Tipos de cohetes de plasma
3. Próxima parada... ¿Marte?

El mundo suele dividirse en tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Cuando la materia está fría, es sólida. A medida que se calienta, se convierte en líquido. Cuando se aplica más calor, se obtiene un gas. Sin embargo, la historia no termina ahí. A medida que agrega aún más calor, obtiene: ¡plasma! La energía y el calor adicionales descomponen los átomos neutros y las moléculas del gas en iones típicamente cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Las partículas cargadas le dan al plasma propiedades conductoras interesantes, por lo que la tecnología de plasma se usa para hacer todo tipo de artículos que usamos todos los días. Los chips de computadora, los letreros de neón e incluso el recubrimiento metálico en el interior de una bolsa de papas fritas se crean utilizando tecnología de plasma. Y por supuesto, está la televisión de plasmaque utiliza plasma para liberar fotones de luz, brindándole una visualización a color de píxeles en su pantalla. De hecho, el 99 por ciento de la materia ordinaria del universo se encuentra en estado de plasma [fuente: Charles ].

La mayoría de las estrellas, incluido nuestro sol, están hechas de plasma. Si es tan frecuente en el universo, ¿por qué no lo vemos mucho en la Tierra? Bueno, en realidad, lo hacemos. Las luces del norte y del sur son creadas por los vientos solares. ¿Y qué son los vientos solares? ¡Plasma! Vale, no todo el mundo tiene la suerte de ver estos espectaculares espectáculos de luces, pero puedes ver el plasma en acción durante otro asombroso espectáculo de luces que ofrece la naturaleza: una tormenta eléctrica. A medida que la electricidad de los rayos fluye por el aire, proporciona tanta energía a las moléculas en su camino que los gases en la estela del rayo se transforman en plasma.

La tecnología de plasma también se ha utilizado en cohetes para ayudarnos a movernos por el espacio exterior, y es la más prometedora para llevar a los humanos a lugares con los que antes solo podíamos soñar. Estos cohetes deben estar en el vacío del espacio exterior para funcionar, ya que la densidad del aire cerca de la superficie de la tierra ralentiza la aceleración de los iones en el plasma necesarios para crear empuje, por lo que no podemos usarlos para despegar desde tierra. Sin embargo, algunos de estos motores de plasma han estado operando en el espacio desde 1971. La NASA generalmente los usa para el mantenimiento de la Estación Espacial Internacional y los satélites, así como la principal fuente de propulsión al espacio profundo [fuente: NASA ].

Todos los cohetes de plasma funcionan con el mismo tipo de principio: los campos eléctricos y los campos magnéticos trabajan en conjunto para transformar primero un gas, generalmente xenón o criptón, en plasma y luego acelerar los iones en el plasma fuera del motor a más de 45,000 mph ( 72.400 kph), creando un impulso en la dirección del viaje deseado [fuente: Science Alert ]. Hay muchas formas en que se puede aplicar esta fórmula para crear un cohete de plasma que funcione, pero hay tres tipos que se destacan como los mejores y más prometedores [fuente: Walker].

Los propulsores Hall son uno de los dos tipos de motores de plasma que actualmente se utilizan con regularidad en el espacio. En este dispositivo, los campos eléctricos y magnéticos se establecen de forma perpendicular en la cámara. Cuando se envía electricidad a través de estos campos en duelo, los electrones comienzan a girar súper rápido en círculos. A medida que el gas propulsor se inyecta en el dispositivo, los electrones de alta velocidad eliminan los electrones de los átomos del gas, creando un plasma que consta de electrones libres (que llevan cargas negativas) y los átomos ahora cargados positivamente.(iones) del propulsor. Estos iones salen disparados por la parte trasera del motor y crean el empuje necesario para impulsar el cohete hacia adelante. Si bien los dos procesos de ionización y aceleración de los iones ocurren en pasos, ocurren dentro del mismo espacio en este motor. Los propulsores Hall pueden generar una cantidad significativa de empuje para la potencia de entrada utilizada, por lo que pueden ir increíblemente rápido. Pero hay límites en su eficiencia de combustible.

Cuando la NASA está buscando un motor que sea más eficiente en combustible, recurre a los motores de iones reticulados.. En este dispositivo de uso común, los campos eléctricos y magnéticos están situados a lo largo de las paredes de la cámara del motor. Cuando se aplica energía eléctrica, los electrones de alta energía oscilan en ya lo largo de los campos magnéticos cerca de las paredes. De manera similar al propulsor Hall, los electrones pueden ionizar el gas propulsor en un plasma. Para realizar el siguiente paso de crear empuje, se colocan rejillas eléctricas al final de la cámara para acelerar la salida de los iones. En este motor, la ionización y la aceleración ocurren en dos espacios diferentes. Si bien el motor de iones cuadriculado consume más combustible que un propulsor Hall, la desventaja es que no puede generar tanto empuje por unidad de área. Según el tipo de trabajo que buscan realizar, los científicos e ingenieros aeroespaciales eligen qué motor se adapta mejor a la misión.

Finalmente, está el tercer tipo de motor: VASIMR, abreviatura de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket . Este cohete, desarrollado por el ex astronauta Franklin Chang Diaz, existe ahora solo en la fase de prueba. En este dispositivo, los iones se crean mediante ondas de radio generadas por una antena para formar el plasma. Otra antena más abajo agrega energía que hace que los iones giren en círculo muy rápido. Un campo magnético proporciona direccionalidad para que los iones se liberen del motor en línea recta, proporcionando así el empuje. Si funciona, este cohete tendrá un enorme rango de aceleración, algo que el propulsor Hall y el motor de rejilla de iones no pueden lograr tan fácilmente.

Los cohetes convencionales son geniales y nos han llevado lejos, pero tienen sus limitaciones. Estos cohetes también funcionan sobre la base del empuje: el motor quema combustible, creando un gas a alta presión que es forzado a salir de la boquilla del cohete a alta velocidad y el cohete es impulsado en la dirección opuesta [fuente: Brain ]. El combustible para cohetes, sin embargo, es muy pesado y súper ineficiente. No puede proporcionar suficiente energía para llegar rápido a los lugares. El combustible del cohete se quema en el esfuerzo por salir de la tierra y ponerse en órbita, y luego la nave espacial básicamente se ve obligada a navegar [fuente: Verhovek ].

Un cohete de plasma, por otro lado, usa mucho menos combustible que estos motores convencionales; de hecho, 100 millones de veces menos combustible [fuente: Science Alert ]. Es tan eficiente en combustible que puede ir de la órbita de la Tierra a la órbita de la luna con solo unos 30 galones (113 litros) de gas [fuente: Charles ]. Los cohetes de plasma aceleran gradualmente y pueden alcanzar una velocidad máxima de 34 millas (55 kilómetros) por segundo durante 23 días, que es cuatro veces más rápido que cualquier cohete químico [fuente: Verhovek]. Menos tiempo dedicado a viajar significa menos riesgo de que la nave experimente fallas mecánicas y los astronautas estén expuestos a la radiación solar, pérdida ósea y atrofia muscular. Con VASIMR, la propulsión también estará teóricamente disponible durante todo el viaje, lo que significa que los cambios de dirección podrían ser posibles en cualquier momento.

Para ser realistas, a estas alturas, viajar a Marte en poco tiempo todavía está muy lejos. Alcanzar este tipo de distancias extremas requerirá mucha potencia. La mayoría de los propulsores Hall y los motores iónicos reticulados funcionan con unos 5 kilovatios de potencia. Para llegar a los niveles de poder que necesitaría para llegar a Marte en aproximadamente 40 días, necesitaría al menos 200 veces esa cantidad [fuente: Walker]. La fuente de energía más viable para generar esta cantidad de energía en el espacio exterior son las fuentes de energía nuclear integradas en el motor. En este momento, sin embargo, colocar una fuente de energía nuclear en un cohete espacial que lanzamos desde la Tierra al espacio representa una amenaza demasiado grande de exposición a la radiación en caso de un accidente.

Por lo tanto, la fuente de energía para alcanzar esas distancias sigue siendo un gran desafío. Sin mencionar la incertidumbre de cómo reaccionaría el cuerpo humano al viajar 34 millas (54 kilómetros) por segundo (a diferencia de las 4,7 millas o 7,5 kilómetros por segundo que viajan los astronautas para llegar a la órbita terrestre más baja en cohetes convencionales) [fuentes: Verhovek , Grupo de Razonamiento Cualitativo de la Universidad Northwestern ]. Pero en teoría, con suficiente potencia, estos motores tienen la capacidad de llegar a Marte en unos 40 días, una hazaña que no nos hubiéramos atrevido a soñar hace solo 50 años.

Publicado originalmente: 29 de septiembre de 2016

¿Qué es un cohete de plasma?

¿Qué tan rápido puede ir un cohete de plasma?

¿Cuál es el motor más rápido para viajar al espacio?

¿Cuáles son los diferentes tipos de motores de plasma?

¿Qué tan rápido puede ir el motor VASIMR?

Nota del autor: Cómo funcionan los cohetes de plasma

Primero leí "El marciano" y ahora he escrito este artículo. ¡Nunca me había entusiasmado tanto Marte! No estoy seguro de querer ir allí yo mismo, ¡pero más poder para los astronautas que algún día puedan caminar sobre el planeta rojo!

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