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Motores Iónicos

@José Miguel Esteban

MOTORES IÓNICOS

Motores iónicos: ¿ciencia o ficción científica?
Los amantes de la ciencia ficción saben que si se precisa viajar cortas distancias desde un planeta, es posible hacerlo empleando un motor iónico. No obstante, ¿es este tipo de motor un hecho científico o no es más que ficción?
La respuesta se halla en algún punto entre estas dos posibilidades. Los motores iónicos datan de al menos 1959 e incluso dos de ellos se pusieron a prueba en 1964 en el satélite estadounidense SERT 1 -uno con éxito, el otro no-. Su principio de funcionamiento es simplemente física convencional: se toma un gas y se ioniza, lo cual significa que se le da a éste una carga eléctrica determinada. Con ello estamos creando un conjunto de iones cargados positivamente, junto con otro conjunto de electrones.
El gas ionizado se hace pasar a través de un campo eléctrico o "pantalla" en la parte trasera del vehículo espacial, de tal manera que los iones abandonan el motor, produciendo un empuje en el sentido opuesto al que estos iones son expulsados.

Ventajas e inconvenientes.
Trabajando en el vacío del espacio, los motores iónicos disparan el gas propelente mucho más rápidamente que el jet de un cohete químico convencional. De hecho, los motores iónicos proporcionan unas diez veces el empuje por kilogramo de combustible empleado que en el caso de los motores químicos. Esto hace que este sistema de propulsión sea muy eficiente, pues es posible llevar a cabo misiones que lleven a cabo sus objetivos transportando sólo una pequeña cantidad de combustible.
No obstante, aunque son eficientes, los motores iónicos son instrumentos de bajo empuje: la cantidad de empuje que se obtiene en relación a la masa de combustible es muy alta, pero el empuje por unidad de tiempo es muy pequeño.
Así, por ejemplo, este sistema de propulsión sería imposible de utilizar si quisiésemos escapar de la gravedad de un planeta como la Tierra... aunque sí resultaría apropiado para, una vez en el espacio, emplearlo de cara a realizar maniobras si es que no existe necesidad de acelerar rápidamente. ¿Por qué? Los motores iónicos pueden alcanzar grandes velocidades en el espacio, pero necesitan bastante tiempo para llegar a tales velocidades.
Los motores iónicos trabajan de un modo "ocioso": los sistemas eléctricos son los responsables de acelerar los iones, mediante la creación del campo eléctrico o "pantalla" en la parte trasera del vehículo espacial; si la energía que se emplea para crear esta aceleración se obtiende mediante paneles solares, llamamos a este sistema "propulsión solar-eléctrica". Los paneles solares del tamaño empleado habitualmente en las sondas y satélites pueden suministrar sólo unos pocos kilowatios de potencia.
Un motor iónico alimentado con paneles solares no puede competir con un motor químico de gran empuje. No obstante, un cohete de combustible químico quema su combustible en unos pocos minutos, mientras que el motor iónico puede realizar el empuje durante meses o años, al menos mientras brille el Sol y exista suficiente material propelente...
Otra de las ventajas de este sistema es que permite realizar el control de una sonda espacial con muchísima precisión, lo cual resulta de gran utilidad en misiones científicas que requieran un control muy exacto de su posición y velocidad.

Los proyectos presentes y futuros.
Los ingenieros pusieron a prueba un sistema de propulsión iónico en una misión espacial con la misión Deep Space 1 de la NASA, entre 1998 y 2001. La sonda SMART-1 de la Agencia Espacial Europea (ESA), que será lanzada a finales de agosto de 2003, viajará hacia la Luna empleando un motor de propulsión iónico y demostrará la capacidad de llevar operaciones de alta precisión en el espacio, necesarias para realizar misiones futuras a lugares más distantes del Sistema Solar. Esta misión combinará la propulsión solar-eléctrica con la realización otras maniobras empleando la gravedad de la Tierra y la Luna.
SMART-1 demostrará la capacidad de empleo de un motor iónico por parte de la Agencia Espacial Europea y otras misiones espaciales emplearán este tipo de sistemas para llevar a cabo maniobras complejas en las cercanías de la Tierra como, por ejemplo, la misión LISA, que detectará ondas gravitacionales procedentes del Universo distante. Las futuras sondas espaciales que la ESA envíe a otros planetas harán uso de motores iónicos como método de propulsión.

¿Qué es la propulsión iónica?
La propulsión iónica es una tecnología que consiste en ionizar un gas para propulsar una sonda o nave espacial.

En vez de hacer esto mediante combustibles químicos, este mecanismo de propulsión consiste en dar una carga eléctrica a un gas. Acto seguido, los iones son acelerados eléctricamente hasta una velocidad de 30 Km/s, formando un jet azulado que es expulsado a gran velocidad del motor. Cuando los iones son emitidos a tal velocidad desde el vehículo, empujan a éste en dirección opuesta, tal como describe la ley de acción y reacción.
Una explicación con un poco más de detalle.
El funcionamiento de un motor iónico implica principalmente tres procesos:
1.- Generación de los iones.
2.- Aceleración de dichos iones mediante un campo electrostático.
3.- Neutralización del haz de iones resultante.
A efectos de entender qué ocurre en un motor iónico, tenemos que tener en cuenta cómo es un átomo: consta de un pequeño núcleo formado por protones -con carga eléctrica positiva- y neutrones -neutros- el cual se halla rodeado por un cierto número de electrones que están cargados con electricidad negativa. Un átomo neutro tiene en sus orbitales el mismo número de electrones que protones tiene su núcleo. Existen diferentes procedimientos que se pueden emplear para ionizar un átomo: altas temperaturas, descarga eléctrica, radiación... En los motores de propulsión iónica se ionizan átomos inicialmente neutros, es decir, se les arranca uno o más electrones, de tal modo que cada átomo pierde su neutralidad y adquiere una carga positiva. En este caso decimos que tenemos un ión positivo.
Podemos "jugar" a desplazar los iones sometiéndoles a campos eléctricos. Cuando éstos pasan a través de un campo eléctrico de voltaje algo elevado, se aceleran hasta alcanzar grandes velocidades. Este es el principio en el que se basa un motor iónico: una vez los átomos ya han sido ionizados, se desplazan a gran velocidad debido al efecto de una diferencia de potencial negativa producida por dos rejillas o electrodos.
Antes de abandonar el motor, es necesario neutralizar el haz de iones positivos, es decir, devolverle electrones negativos para que dichos iones vuelvan a adquirir carga neutra. Expulsar continuamente átomos cargados positivamente fuera de la nave acabaría dejando ésta con una carga negativa, de tal modo que estos iones serían de nuevo atraídos por el vehículo. La solución consiste en un disparador que vierte electrones en la corriente externa de iones, neutralizando tanto la nave espacial como los gases de escape.

Este esquema de los componentes del motor iónico es similar al anterior, pero mostrando dicho motor con algo más de detalle.