Motor de propulsão a plasma - Plasma propulsion engine

Um propulsor durante o disparo de teste

Capitulação do artista de VASIMR motor de plasma

Um motor de propulsão de plasma é um tipo de propulsão elétrica que gera empuxo de um plasma quase neutro . Isso está em contraste com os motores de propulsão de íons , que geram impulso por meio da extração de uma corrente de íons da fonte de plasma , que é então acelerada para altas velocidades usando grades / ânodos . Eles existem em muitas formas (ver propulsão elétrica ). No entanto, na literatura científica, o termo " propulsor de plasma " às vezes abrange propulsores geralmente designados como " motores iônicos ".

Os propulsores de plasma normalmente não usam grades de alta tensão ou ânodos / cátodos para acelerar as partículas carregadas no plasma, mas usam correntes e potenciais que são gerados internamente para acelerar os íons, resultando em uma velocidade de escape mais baixa devido à falta de altas tensões de aceleração .

Este tipo de propulsor tem várias vantagens. A falta de grades de alta tensão de ânodos remove um possível elemento limitador como resultado da erosão de íons da grade. A exaustão do plasma é 'quase neutra', o que significa que íons positivos e elétrons existem em igual número, o que permite a recombinação íon-elétron simples na exaustão para neutralizar a pluma de exaustão, eliminando a necessidade de um canhão de elétrons (cátodo oco). Esse propulsor geralmente gera a fonte de plasma usando radiofrequência ou energia de micro - ondas , usando uma antena externa . Este fato, combinado com a ausência de cátodos ocos (que são sensíveis a todos os gases , exceto gases nobres ), permite a possibilidade de usar esse propulsor em uma variedade de propelentes, de argônio a misturas de ar de dióxido de carbono e urina de astronauta .

Os motores de plasma são mais adequados para missões interplanetárias .

Muitas agências espaciais desenvolveram sistemas de propulsão de plasma, incluindo a Agência Espacial Europeia , a Agência Espacial Iraniana e a Universidade Nacional Australiana , que co-desenvolveram um propulsor de camada dupla .

História

Alguns motores de plasma tiveram tempo de vôo ativo e uso em missões. Em 2011, a NASA fez parceria com a Busek para lançar o primeiro propulsor de efeito Hall a bordo do satélite Tacsat-2 . O propulsor era o principal sistema de propulsão do satélite. A empresa lançou outro propulsor de efeito hall naquele ano. Em 2020, a pesquisa sobre um jato de plasma foi publicada pela Wuhan University .

A Ad Astra Rocket Company está desenvolvendo o VASIMR. A empresa canadense Nautel está produzindo os geradores RF de 200 kW necessários para ionizar o propelente. Alguns testes de componentes e experimentos de "Plasma Shoot" são realizados em um laboratório da Libéria, Costa Rica . Este projeto é liderado pelo ex-astronauta da NASA, Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-EUA).

A Aliança Aeroespacial da Costa Rica anunciou o desenvolvimento de suporte externo para o VASIMR a ser instalado fora da Estação Espacial Internacional . Esperava-se que esta fase do plano para testar o VASIMR no espaço fosse realizada em 2016.

Vantagens

Os motores de plasma têm um valor de impulso específico ( I _sp ) muito mais alto do que a maioria dos outros tipos de tecnologia de foguetes. O propulsor VASIMR pode ser estrangulado para um impulso maior que 12.000 s, e os propulsores Hall atingiram ~ 2.000 s. Esta é uma melhoria significativa em relação aos combustíveis bipropelentes de foguetes químicos convencionais, que apresentam impulsos específicos de ~ 450 s. Com alto impulso, os propulsores de plasma são capazes de atingir velocidades relativamente altas em longos períodos de aceleração. O ex-astronauta Franklin Chang-Diaz afirma que o propulsor VASIMR pode enviar uma carga útil a Marte em apenas 39 dias, enquanto atinge uma velocidade máxima de 34 milhas por segundo (55 km / s).

Certos propulsores de plasma, como o mini-helicóptero, são elogiados por sua simplicidade e eficiência. Sua teoria de operação é relativamente simples e pode usar uma variedade de gases ou combinações.

Essas qualidades sugerem que os propulsores de plasma têm valor para muitos perfis de missão.

Inconvenientes

Possivelmente, o desafio mais significativo para a viabilidade dos propulsores de plasma é a necessidade de energia. O motor VX-200, por exemplo, requer 200 kW de energia elétrica para produzir 5 N de empuxo, ou 40 kW / N. Este requisito de energia pode ser atendido por reatores de fissão, mas a massa do reator (incluindo sistemas de rejeição de calor) pode ser proibitiva.

Outro desafio é a erosão do plasma. Durante a operação, o plasma pode fazer a ablação térmica das paredes da cavidade do propulsor e da estrutura de suporte, o que pode eventualmente levar à falha do sistema.

Devido ao seu empuxo extremamente baixo, os motores de plasma não são adequados para o lançamento na órbita terrestre. Em média, esses foguetes fornecem cerca de 2 libras de empuxo máximo. Os propulsores de plasma são altamente eficientes em espaço aberto, mas não fazem nada para compensar a despesa orbital dos foguetes químicos.

Tipos de motor

Propulsores de plasma Helicon

Os propulsores de plasma Helicon usam ondas eletromagnéticas de baixa frequência (ondas Helicon) que existem dentro do plasma quando exposto a um campo magnético estático. Uma antena de RF que envolve uma câmara de gás cria ondas e excita o gás, criando plasma. O plasma é expelido em alta velocidade para produzir impulso por meio de estratégias de aceleração que requerem várias combinações de campos elétricos e magnéticos de topologia ideal . Eles pertencem à categoria de propulsores sem eletrodo. Esses propulsores suportam vários propelentes, o que os torna úteis para missões mais longas. Eles podem ser feitos de materiais simples, incluindo uma garrafa de refrigerante de vidro.

Propulsores magnetoplasmadinâmicos

Os propulsores magnetoplasmadinâmicos (MPD) usam a força de Lorentz (uma força resultante da interação entre um campo magnético e uma corrente elétrica ) para gerar o impulso. A carga elétrica que flui através do plasma na presença de um campo magnético faz com que o plasma acelere . A força de Lorentz também é crucial para a operação da maioria dos propulsores de plasma pulsado .

Propulsores indutivos pulsados

Os propulsores indutivos pulsados (PIT) também usam a força de Lorentz para gerar o empuxo, mas não usam eletrodos, resolvendo o problema da erosão. A ionização e as correntes elétricas no plasma são induzidas por um campo magnético que varia rapidamente.

Propulsores de plasma sem eletrodos

Os propulsores de plasma sem eletrodo usam a força ponderomotriz que atua sobre qualquer plasma ou partícula carregada quando sob a influência de um forte gradiente de densidade de energia eletromagnética para acelerar elétrons e íons do plasma na mesma direção, operando assim sem um neutralizador.

VASIMR

VASIMR

VASIMR, abreviação de Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, usa ondas de rádio para ionizar um propelente em um plasma. Um campo magnético então acelera o plasma para fora do motor, gerando empuxo . Um motor VASIMR de 200 megawatts poderia reduzir o tempo de viagem da Terra a Júpiter ou Saturno de seis anos para quatorze meses, e da Terra a Marte de 6 meses para 39 dias.

Veja também

• Vela magnética
• Propulsor de íons
• Voo espacial
• Veículo Aéreo Eletromagnético Sem Asas
• Propulsão de nave espacial movida a eletricidade
• Lista de artigos de física de plasma

Referências

links externos

• Plasma Propulsion in Space - AIP Outubro de 2000
• Mini-Helicon Plasma Thruster