Gran aumento de eficiencia en propulsión iónica por efecto Hall

Los motores de propulsión Hall son motores cohete eléctricos avanzados que se emplean principalmente para mantener la posición y la orientación de los satélites de comunicaciones geoestacionarios y de las sondas espaciales. Hace poco, el lanzamiento de dos satélites que utilizan una plataforma completamente eléctrica ha supuesto el inicio de una nueva era, una en la que estos propulsores de tipo Hall podrían ser empleados no solo para ajustar órbitas sino también para impulsar la nave durante buena parte de su viaje a través del espacio.

Gracias a que consumen 100 millones de veces menos propergol o combustible que los cohetes químicos convencionales, un propulsor Hall es un candidato atractivo para explorar Marte, asteroides e incluso el borde del sistema solar. Al ahorrar combustible, el propulsor permitiría dejar mucho más espacio libre en la nave espacial que el que dejaría una con propulsión química, y ese espacio libre extra se podría aprovechar con un amplio cargamento de cosas útiles para la misión. Sin embargo, la actual vida útil de los propulsores Hall, que se halla alrededor de las 10.000 horas de operación, es demasiado corta para la mayor parte de las exploraciones espaciales, que necesitan al menos 50.000 horas de operación.

Para prolongar la vida útil de los citados propulsores, el equipo de Stéphane Mazouffre y Julien Vaudolon, del Centro Nacional Francés para la Investigación Científica (CNRS) ha optimizado experimentalmente la operación de un novedoso prototipo de propulsor sin paredes desarrollado hace un año por el mismo grupo. Los resultados preliminares de rendimiento han sido satisfactorios, y abren el camino hacia el desarrollo de un propulsor de tipo Hall sin paredes y de alta eficiencia, apto para misiones de espacio profundo de larga duración.

Los propulsores Hall son motores cohete eléctricos que usan un chorro de plasma de muy alta velocidad (del orden de 72.000 kilómetros por hora, o 45.000 millas por hora) para empujar hacia adelante la nave. Su principio de funcionamiento se basa en la creación de una descarga de plasma de baja presión y casi neutra en una configuración de campo magnético y campo eléctrico cruzados. El gas propergol, normalmente xenón, es ionizado por los electrones atrapados en el campo magnético.

En la configuración convencional de los propulsores Hall, la descarga magnetizada queda confinada a una cavidad dieléctrica anular con un ánodo en un extremo, donde se inyecta el gas, y un cátodo externo que inyecta electrones. La ionización del gas propergol sucede dentro de la cavidad, con los iones acelerados por el campo eléctrico, el cual se extiende desde el interior al exterior de esta última.

El principal inconveniente de los propulsores Hall es que los materiales de la pared del canal de descarga determinan grandemente las propiedades de descarga, y como consecuencia de ello, el nivel de rendimiento y el tiempo de operación.

Los materiales de la pared intervienen en las propiedades del plasma principalmente a través de una emisión secundaria de electrones, un fenómeno donde iones de alta energía golpean la superficie de la pared del canal e inducen la emisión de electrones secundarios. Además, la erosión de las paredes de la cavidad de descarga debido al bombardeo de los iones de alta energía acorta la vida útil del propulsor.

Así pues, un enfoque efectivo para evitar la interacción entre el plasma y la pared del canal de descarga es mover las regiones de ionización y aceleración fuera de la cavidad, un diseño poco convencional llamado Propulsor Hall Sin Pared, que es la base del nuevo modelo diseñado.

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