Los ingenieros del MIT están desarrollando un nuevo sistema de propulsión de naves espaciales que combina la potencia de los cohetes químicos tradicionales con la eficiencia y precisión de los propulsores eléctricos.
La tecnología podría dar a los satélites pequeños mucha más flexibilidad en el espacio. En lugar de depender de sistemas de combustible separados para diferentes tipos de maniobras, las futuras naves espaciales podrían utilizar un único propulsor para realizar tanto maniobras rápidas como lentas y altamente controladas.
En el corazón del sistema hay un combustible especial que funciona con sistemas de propulsión tanto químicos como eléctricos. Hasta ahora, estas tecnologías normalmente requerían propulsores y hardware separados, lo que agregaba peso y complejidad.
“Si se puede realizar propulsión química y eléctrica en un paquete pequeño, es lo mejor de ambos mundos”, dijo Amelia Bruno, ex postdoctorada en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica (AeroAstro) del MIT. “Esto abre la puerta a que los satélites más pequeños hagan más ciencia, más observaciones y misiones más interesantes en una plataforma más pequeña y barata”.
Bruno es el autor principal de un nuevo estudio publicado Revista de propulsión y potencia.. La investigación muestra que un “monopropulsor verde” desarrollado originalmente por la Fuerza Aérea de EE. UU. para propulsión química puede alimentar con éxito propulsores eléctricos en miniatura conocidos como propulsores de electrospray.
Combinación de propulsión espacial química y eléctrica.
Los propulsores de electrospray son motores de cohetes en miniatura, aproximadamente del tamaño de una moneda de diez centavos. Utilizan campos eléctricos para cargar partículas en un propulsor líquido y luego expulsarlas al espacio, creando empuje.
Estos propulsores consumen muy poco combustible y son adecuados para maniobras lentas y precisas. Por ejemplo, pueden impulsar lentamente una nave espacial a través de largos viajes interplanetarios consumiendo muy poco combustible.
Los propulsores químicos tienen un propósito diferente. Proporcionan poderosas ráfagas de empuje que permiten a las naves espaciales acelerar, desacelerar, ascender, descender o cambiar de posición rápidamente.
Al identificar un propulsor capaz de impulsar ambos sistemas, los investigadores del MIT creen que pueden ampliar significativamente las capacidades de los satélites pequeños.
El equipo está trabajando actualmente con la NASA en la misión Green Propulsion Dual Mode, un cubesat del tamaño de un maletín equipado con un propulsor químico y cuatro propulsores de electrospray. Todos ellos extraerán combustible de un único depósito. La misión será el primer intento de probar este tipo de sistema de propulsión de modo dual en una nave espacial pequeña.
Si tiene éxito, la tecnología podría ayudar a los satélites pequeños a moverse más allá de la órbita de la Tierra.
“Podemos enviar CubeSats a Marte o al cinturón de asteroides, donde pueden viajar lentamente utilizando propulsores de electropulverización”, dijo el coautor del estudio Paulo Lozano, profesor de Aeronáutica y Astronáutica Miguel Alemán Velasco en el MIT. “Entonces puedes usar tus propulsores químicos para moverte rápidamente y buscar características interesantes. Puedes tener mucha más flexibilidad para hacer más”.
¿Por qué son importantes los propulsores líquidos iónicos?
El laboratorio de Lozano desarrolla, fabrica y prueba sistemas de propulsión por electrospray para satélites del tamaño de una lonchera hasta una pequeña maleta de mano.
En comparación con las naves espaciales más grandes, estos satélites compactos son mucho menos costosos de lanzar. Pero su pequeño tamaño requiere un sistema de propulsión igualmente compacto.
Los propulsores de electropulverización se ajustan bien a ese requisito. Los dispositivos creados en el laboratorio de Lozano tienen el tamaño de una miniatura. Cada propulsor se encuentra encima de un depósito que contiene un propulsor líquido iónico. Cuando se conecta a una batería, se aplica una carga eléctrica a los iones del líquido. Luego, estas partículas cargadas se expulsan a través de pequeñas aberturas en el propulsor, creando empuje.
Durante la última década, el grupo de Lozano ha probado numerosos diseños en diferentes condiciones operativas y con diferentes combustibles líquidos iónicos.
“Los líquidos iónicos son muy estables y pueden incluso existir como líquido en el espacio, algo que muchos materiales no pueden hacer”, afirma Bruno. “Y es básicamente un mar de iones, razón por la cual basamos nuestra tecnología en eso, para poder incorporar esos iones en un electrospray”.
Los investigadores del MIT también han colaborado con la Fuerza Aérea de EE. UU., que ha desarrollado un nuevo combustible líquido iónico conocido como Propulsor energético no tóxico para naves espaciales avanzadas (ASCENT). El propulsor fue diseñado originalmente para sistemas de propulsión química.
ASCENT se desarrolló como una alternativa más segura a la hidracina, un combustible altamente tóxico utilizado tradicionalmente en muchos sistemas de propulsión de naves espaciales.
“ASCENT puede ser una mezcla de líquidos iónicos”, afirma Bruno. “Y dijimos, oye, esto es lo que usamos normalmente. En teoría, debería funcionar. Averigüemos cómo”.
Probando ASCENT en propulsores de electrospray
Para evaluar el combustible, Bruno, Lozano y el ex estudiante graduado del MIT Matthew Corrado realizaron una serie de experimentos utilizando el propulsor de electropulverización impulsado por ASCENT.
Cada propulsor estaba conectado a un pequeño depósito en forma de cubo, aproximadamente del tamaño de un ladrillo Lego. Los investigadores llenaron cada depósito con un gramo de ASCENT, un líquido con una viscosidad similar al aceite de bebé.
Los propulsores estaban montados en lados opuestos del CubeSat, que descansaba sobre una plataforma de prueba de levitación magnética personalizada conocida como maglev. La instalación está ubicada dentro de una gran cámara de vacío que puede recrear condiciones similares a las que se encuentran en el espacio.
Durante el experimento, los investigadores variaron de forma remota el voltaje suministrado a los propulsores. El electrospray resultante generó suficiente energía para hacer girar el CubeSat como si fuera una peonza flotante.
Al medir el empuje generado y operar los propulsores continuamente durante hasta 100 horas, el equipo pudo evaluar el rendimiento y la eficiencia del combustible.
Los resultados muestran que ASCENT impulsó con éxito los propulsores de electropulverización. El combustible es equivalente a los propulsores líquidos iónicos convencionales que se utilizan normalmente en los sistemas de propulsión eléctrica.
“En comparación con nuestro propulsor electrospray típico, ASCENT puede proporcionar un rendimiento similar en términos de empuje”, dijo Bruno. “Ahora que sabemos que nuestros propulsores funcionan con ASCENT, podemos empezar a pensar en todas las formas en que podemos mejorarlos”.
Misión de la NASA probará tanques de combustible compartidos en el espacio
Ahora que ASCENT ha demostrado ser capaz de soportar propulsión tanto química como eléctrica, los investigadores imaginan futuras naves espaciales que lleven un solo tanque de combustible para alimentar ambos sistemas.
El concepto pronto afrontará su primera prueba en el mundo real con la misión Green Propulsion Dual Mode de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para noviembre.
“Esta es la primera vez que un satélite tendrá un tanque de propulsor compartido”, dijo Lozano.
Más allá de la exploración del espacio profundo, la tecnología también podría mejorar las misiones cercanas a la Tierra. Lozano señala el monitoreo del tiempo y el clima como una aplicación potencial.
“Supongamos que se acerca una tormenta y desea desplegar su constelación de pequeños satélites para observar en un lugar”, dice. “Puedes elegir enviarlos más rápido o más lento dependiendo de la naturaleza de las observaciones. Y la única manera de hacerlo es si tienes dos sistemas de propulsión, lo que ahora es posible”.
Esta investigación fue apoyada parcialmente por la NASA.
