Vaya más rápido, más lejos y de manera más eficiente.
Ese es el objetivo que impulsa a los ingenieros de propulsión de naves espaciales como Chen Qiu, un nuevo profesor asistente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia. Cui está explorando formas de mejorar los propulsores de propulsión eléctrica, una tecnología clave para futuras misiones espaciales.
“Para garantizar que la tecnología siga siendo viable para misiones de larga duración, necesitamos mejorar la integración de EP con los sistemas de naves espaciales”, dijo Cui.
En colaboración con su antiguo mentor, el profesor Joseph Wang de la Universidad del Sur de California, Cui publicó los hallazgos el mes pasado. Fuentes de plasma Ciencia y tecnología que proporcionan una nueva visión del comportamiento cinético de los electrones dentro del haz de plasma, revelando quizás la “forma” de lo que vendrá.
El futuro de la exploración espacial
Cui, que se unió al Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en otoño, centra su investigación en comprender cómo se comportan los electrones (partículas pequeñas y cargadas que se mueven rápidamente) en los haces de plasma emitidos por los propulsores EP.
“Estas partículas pueden ser pequeñas, pero su movimiento y energía juegan un papel importante en la determinación de la dinámica macroscópica del penacho expulsado por el propulsor eléctrico”, dijo.
Al estudiar estas interacciones microscópicas, Cui pretende comprender mejor cómo interactúan las descargas de plasma con las naves espaciales.
La propulsión eléctrica funciona ionizando un gas neutro, normalmente xenón, y luego utilizando campos eléctricos para acelerar los iones resultantes. Los iones, que ahora forman un haz de plasma de alta velocidad, impulsan la nave hacia adelante.
En comparación con los cohetes químicos, los sistemas EP ahorran mucho más combustible, lo que permite a las naves espaciales viajar más lejos con menos combustible. Estos sistemas suelen funcionar con paneles solares o pequeños reactores nucleares, lo que los hace ideales para misiones más largas en el espacio, como el programa Artemis de la NASA, cuyo objetivo es devolver humanos a la Luna y, eventualmente, astronautas a Marte y enviarlos más lejos.
Sin embargo, la columna de humo emitida por los propulsores no es sólo escape: es el sustento de todo el sistema de propulsión. Si no se comprende bien, la ciruela puede causar problemas inesperados. Algunas de las partículas pueden retroceder hacia la nave espacial, dañando potencialmente componentes críticos de la nave, como paneles solares o antenas de comunicaciones.
“Para misiones que pueden durar años, los propulsores EP deben funcionar sin problemas y de manera consistente durante largos períodos de tiempo”, dijo Cui. Esto significa que los científicos e ingenieros deben tener un conocimiento profundo de cómo se comporta la columna de plasma para evitar posibles daños.
¿Qué encontró la investigación?
Cui se especializa en la creación de simulaciones por computadora avanzadas para estudiar cómo se comporta el plasma en los flujos de plasma del propulsor EP. Estas no son sólo imitaciones. Funcionan con supercomputadoras modernas y utilizan un método llamado simulación Vlasov, un método computacional “libre de ruido” de última generación.
Los electrones en un haz EP no se comportan exactamente como predicen los modelos simples. Funcionan de manera diferente a diferentes temperaturas y velocidades, creando patrones distintos.
Es clave poder ver claramente la complejidad de las interacciones de los electrones y, al mismo tiempo, descartar los datos confusos del panorama general.
“Los electrones son muy parecidos a canicas empaquetadas en un tubo”, dijo Cui. “Dentro del haz, los electrones están calientes y se mueven rápidamente. Si te mueves en la dirección del haz, su temperatura no cambia mucho. Sin embargo, si las ‘canicas’ salen por el medio del tubo, comienzan a enfriarse”. Este enfriamiento es mayor en una dirección particular, la dirección perpendicular al haz.”
En su artículo más reciente, descubrieron que la distribución de la velocidad de los electrones exhibe una forma casi maxwelliana (como una curva de campana) en la dirección del haz y lo que ellos llaman un perfil de “sombrero de copa” en la dirección transversal del haz.
Además, Cui y Wang descubrieron que el flujo de calor de los electrones, el principal modo de transferencia de energía térmica a través de los haces de plasma EP, se produce principalmente a lo largo de la dirección del haz, con una dinámica única que no se captura completamente en los modelos anteriores.
