Propulsion espacial

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Figura 2: Funcionamiento de un motor iónico con su sistema de neutralización e ionización.

La posición del neutralizador respecto del chorro es importante, puesto que una separación excesiva puede dar lugar a malos funcionamientos e inestabilidades. Además, debido al campo eléctrico que se da entre la rejilla de aceleración y la salida y la alta movilidad de los electrones se procura evitar que los electrones del neutralizador vuelvan a la cámara de ionización a causa de este campo. Por ello se establece una barrera de potencial proporcionando una tensión negativa a la rejilla de aceleración.

En cuanto a los usos de la propulsión iónica, en la actualidad se están proyectando distintas misiones a diversos cuerpos del Sistema Solar que requieren altas aceleraciones y que no pueden ser llevadas a cabo con los métodos de propulsión química tradicional. Para una gran variedad de misiones con requerimientos de alta energía, la lenta pero constante aceleración de la propulsión iónica es más eficiente que la propulsión química.

Los campos eléctricos que se generan en el motor necesitan electricidad y ésta se obtiene mediante paneles solares. De aquí se deduce que los motores iónicos son prácticos en el Sistema Solar interno, en donde hay luz solar en abundancia. Para realizar misiones más distantes es técnicamente posible trabajar con motores iónicos alimentados por baterías nucleares, pero no con paneles solares.

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2. Misión Deep Space 1

El primer motor iónico fue construido en el Glenn Research Center en 1960. Desde entonces ha habido tanto estudios tecnológicos en el laboratorio como algunos muy limitados en el espacio. Hasta la misión de la sonda Deep Space 1, ningún vehículo había empleado esta tecnología como sistema de propulsión principal, debido a que existía una cierta probabilidad de que el motor iónico no funcionase adecuadamente y la misión no tuviese éxito, lo cual significaría (además del desembolso económico) la pérdida de importantes datos científicos. Los responsables de las misiones no solían estar dispuestos a arriesgarse de este modo, razón por la cual empleaban motores químicos como método de propulsión. Es por eso que el sistema NSTAR en la Deep Space 1 fue un importantísimo avance para los motores de propulsión iónica y conviene describir brevemente el propósito de la misión y cómo fue llevada a cabo para situar correctamente el NSTAR en un contexto histórico y operacional.

La Deep Space 1 (conocida mediante su abreviatura DS-1) fue una sonda americana lanzada el 24 de octubre de 1998 desde Cabo Cañaveral a bordo de un cohete Delta II. La mayoría de las sondas espaciales son construidas usando tecnologías que han sido probadas de antemano, minimizando de esta manera los riesgos de fallo. Pero la DS1 salió de la Tierra repleta de dispositivos no ensayados. Su misión era de hecho probar una docena de tecnologías nuevas e inusuales.

Un mes después de su lanzamiento al espacio, los controladores pusieron en marcha el motor iónico de la sonda, cuando ésta se hallaba a 4.8 millones de kilómetros de la Tierra. Precisamente el motor iónico falló tras 4,5 minutos de funcionamiento a partir del primer encendido. Se determinó que la causa fueron cortocircuitos en la rejilla eléctrica del motor debidos a restos de gas y material eyectados durante la separación de la última etapa. Afortunadamente, el motor comenzó a funcionar normalmente poco después, cuando desaparecieron los restos de contaminación. Dicho motor funcionó durante 14 días, llevando al vehículo a las cercanías del asteroide Braille el 29 de julio de 1999, a una distancia de sólo 26 Km del mismo y con una velocidad relativa de 15.5 Km/s. Después de esta exitosa misión principal la NASA decidió extender la misión de la Deep Space 1 y los operadores de la sonda planificaron el sobrevuelo del cometa Wilson-Harrington para enero de 2001 y del Borrelly para septiembre de ese año. Los problemas con el rastreador estelar obligaron a los planificadores a revisar la misión, de tal modo que desistieron de realizar el primer encuentro.

Así, el sobrevuelo del Borrelly sería todo un éxito: se obtuvieron fotografías detalladas de su núcleo y cola, espectros infrarrojos y mediciones del medio ambiente en torno a éste. El motor de la Deep Space 1 se había convertido además en el sistema de propulsión de más largo uso continuado hasta el momento (ocho meses de operación). La misión finalizó el 18 de diciembre de 2001, habiendo demostrado el correcto funcionamiento de las nuevas tecnologías puestas a prueba. Entre estas tecnologías se encontraban:

- Motor de propulsión iónica de larga duración del que trata el trabajo.

- SCARLET: El significado de las siglas es (Solar Concentrator Array of Refractive Linear Element Technologies). Se trata de un conjunto de paneles solares que concentran la luz solar sobre células fotovoltaicas con el objetivo de obtener más potencia y mejorar el rendimiento al producir una potencia equivalente a un panel solar convencional de mayor tamaño.

- Autonav: Sistema de navegación autónomo desarrollado por el JPL que utiliza asteroides brillantes y su movimiento relativo contra el fondo de estrellas como referencia. Con dos ó más asteroides la nave podía triangular su posición. Conociendo dos ó más posiciones diferentes a lo largo del tiempo, la nave puede determinar su velocidad, y con ambos datos, su trayectoria. También es capaz de determinar la posición de asteroides y cometas con respecto a la nave lo que fue muy útil durante el estudio del cometa 9P/Tempel 1. El objetivo de este sistema era poder aumentar la autonomía de la misión, reducir costes y liberar de su continuo uso a los transmisores de la Tierra que podrían ser usados en otras funciones como la recepción de datos.

- Agente remoto: Se trataba de una inteligencia artificial que permitía a la nave hacerse cargo de sí misma.

- SDST (Small Deep-Space Transponder): Sistema de radio miniaturizado que empleaba la banda de alta frecuencia ka.

- PEPE (Plasma Experiment for Planetary Exploration): Espectrómetro de iones y electrones para la medición del entorno de partículas de la sonda.

En cuanto a la nave, en el siguiente esquema pueden verse la mayoría de los sistemas que han sido descritos así como otros como el sistema de alimentación de xenón