Motores de plasma sin electrodos, hacia un avance clave en la propulsión espacial
Investigar a fondo la física de un nuevo tipo de cohetes de plasma para misiones espaciales y revolucionar su diseño. Ese es el objetivo de ZARATHUSTRA, un proyecto de investigación europeo ERC Starting Grant de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) en España que pretende iniciar el desarrollo de una nueva tecnología aeroespacial y cuyos resultados podrían también encontrar aplicaciones en otros campos, como la fusión nuclear por confinamiento magnético.
Los motores de plasma consumen menos propulsante que los cohetes de combustión química, lo que permite realizar misiones más baratas, largas y ambiciosas. Sin embargo, las tecnologías existentes utilizan electrodos metálicos en contacto con el plasma para operar, lo que supone un punto débil de los mismos, porque se deterioran hasta que los motores dejan de funcionar, limitando su durabilidad, su rango de operación y el tipo de propulsantes que pueden utilizar. Recientemente, se ha propuesto una nueva familia de motores de plasma sin electrodos con la que se pretende solucionar esta problemática, aunque todavía se encuentran en una etapa muy incipiente de desarrollo y tienen un amplio margen de mejora.
“Estos motores cuentan con una cámara de ionización cilíndrica abierta por un extremo, por donde el plasma se acelera guiado por un campo magnético aplicado”, explica el investigador responsable de este nuevo proyecto, Mario Merino, del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial de la UC3M. Su meta es desvelar los fundamentos físicos de estos motores para comprender los mecanismos que participan en el calentamiento electromagnético del plasma y el transporte de partículas y así conseguir aumentar su eficiencia.
El plasma tiene características propias que no aparecen en los sólidos, líquidos o gases, por lo que se considera otro estado de agregación de la materia. Comprender el papel que desempeñan la turbulencia y la interacción del plasma con los campos electromagnéticos y con las paredes del motor es una de las claves de este proyecto. “También vamos a investigar una nueva geometría de motores de plasma sin electrodos por primera vez y que está basada en una patente de la Universidad”, apunta Mario Merino. Esta nueva geometría permitiría evitar muchos de los problemas que tienen los motores cilíndricos actuales, como el hecho de que no posean un confinamiento magnético completo en las paredes. “En una de ellas, en la pared trasera, se está perdiendo gran parte del plasma, lo cual lleva a ineficiencias del motor”, añade.
El motor que pretenden desarrollar los investigadores resolvería ese problema, porque al tener una nueva geometría en forma de “U” y un campo magnético toroidal (en forma de “donut” deformado en un extremo) se protegerían todas las paredes del impacto directo del plasma. “Cubriría las necesidades de propulsión para realizar misiones espaciales a potencias muy distintas y con propulsantes variados, entre distintas órbitas terrestres, así como a la Luna o Marte, de una forma más barata, eficiente y duradera”, señalan los científicos.
En el marco de este proyecto, los investigadores emplearán una metodología multidisciplinar. Por una parte, desarrollarán modelos y simulaciones de última generación del plasma y los campos electromagnéticos. Por otra parte, realizarán experimentos en las cámaras de vacío del Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas (EP2) de la Universidad, para observar directamente cómo funcionan estos motores, haciendo uso de un completo conjunto de sistemas de diagnóstico de plasmas. Por último, emplearán técnicas avanzadas de análisis “data-driven” que permitirán exprimir al máximo la información de las simulaciones y los datos experimentales.
«El proyecto ZARATHUSTRA nos va a permitir, además, formar, al menos, a seis jóvenes investigadores en las técnicas más punteras de simulación y experimentación en física de plasmas, desarrollo de sistemas de propulsión y otras áreas afines, reforzando las capacidades del EP2 de UC3M, que cuenta con una larga experiencia en investigación e innovación de distintas tecnologías de propulsión espacial”, añade Mario Merino.
ZARATHUSTRA (Revolutionizing advanced electrodeless plasma thrusters for space transportation; Revolucionando los motores avanzados de plasma sin electrodos para el transporte espacial) es un proyecto de cinco años de duración financiado con 1,5 millones de euros por el Consejo Europeo de Investigación (European Research Council) a través de una ayuda ERC Starting Grant del Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea, Horizonte 2020 (GA 950466). (Fuente: UC3M)
