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Sara RobiscoJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasGastón Giribetmotores eléctricos expulsan plasma ionizadoxenón o criptón como gases noblesplasma ionizando materia neutra navegases nobles ionizados xenón criptóncampos eléctricos magnéticos aceleración ionesmotores espaciales eléctricos milinewtonsimpulso específico motores propulsores espacialesJuan Carlos GilHéctor Socasefecto Hallmotores HallMPDBasim Rvoltaje de Hallmotor de efecto HallLa Casa de PapelMotores iónicosStarlinkPlasmas
Motores eléctricos expulsan Plasma ionizado
Ep 503: Propulsión Espacial; Computación Cuántica; Fusiones de Estrellas de Neutrones; Agujeros Negros
13 de marzo de 20256 momentos
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Juan Carlos Gil continúa explicando los métodos de propulsión espacial, específicamente abordando el uso de motores eléctricos que expulsan plasma ionizado.
…pero como tiene masa tienes que compensar el peso del propio cable colocando un contrapeso un poquito más allá. Bueno, se podría hacer con un cable muy largo, pero ya eso sería muy largo; el triple de la geo me parece que salía o cuatro veces. Pues seguimos. Seguimos, decías que había hecho una introducción a las formas de moverse; todavía no he acabado porque me quedan los motores eléctricos. Los motores eléctricos expulsan también materia pero no neutra, en este caso hecha de partículas ionizadas, vamos, lo que viene llamándose plasma. Entonces lo que hacemos es, primero generamos plasma ionizando materia neutra que es lo que podemos llevar en la nave, típicamente gases nobles, gorditos; queremos que sean átomos gorditos para que cuando salgan a toda leche se lleven mucho momento y nos impulsen para adelante. Típicamente se usan xenón o criptón. El radón es radiactivo, molaría, pero no nos dura nada, ese no nos vale. Y una vez que hemos ionizado estos gases nobles, aceleramos los iones, las partículas cargadas resultantes, tanto electrones como iones, hemos ionizado, hemos partido en dos cachitos, mediante campos eléctricos y o magnéticos. y eso nos va a hablar de los dos motores eléctricos, los propulsores espaciales eléctricos que existen. También lo anticipaba antes, generan muy muy bajo empuje, típicamente de milinewtons, milinewtons, nada, con lo que obviamente no sirven de ninguna de las formas para despegar, para movernos dentro de la atmósfera, pero por contra son muy extraordinariamente eficientes con impulsos específicos de Miles de segundos y algunos de muchos miles de segundos, lo que los hacen ideales para misiones de larga duración como misiones interplanetarias o satélites; se utilizan ahora para que duren lo más posible. Es una tecnología, que no viene de Julio Bern, es…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil introduce los motores nucleares como una alternativa a los propelentes químicos, explicando que son poco conocidos y existen en dos tipos: térmicos y otros no especificados.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #13motores nucleares alternativa propelentesmotor térmico calienta hidrógeno extremopropulsor expulsado por motor nuclear…orden de 200 segundos. Y otra cosa que tiene hidracina es que es ultra tóxica; es de lo peorcito, con lo cual en los últimos años está tendiendo a producir alternativas que son los llamados propelentes verdes. Esperemos que podamos avanzar en esa dirección. Otra opción más, antes de llegar a lo que me ocupará, que serán los motores eléctricos, son los motores nucleares. Mucha gente ni ha oído hablar de esto. Hay dos tipos de motores nucleares: los de tipo térmico usan, el propio nombre parece indicarlo, un motor nuclear para calentar un gas, hidrógeno, típicamente a temperaturas extremas; estamos hablando de un motor nuclear y claro, expulsarlo como propulsor y estos se Fabricaron, tanto la Unión Soviética como los Estados Unidos en la década de los 60 y los 70, la época dorada de la innovación espacial; por supuesto impulsada por la guerra fría, pues les hicieron desarrollar estos motores, pero ninguno de las dos…
Juan Carlos Gil continúa explicando los métodos de propulsión espacial, específicamente abordando el uso de motores eléctricos que expulsan plasma ionizado.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1motores eléctricos expulsan plasma ionizadoxenón o criptón como gases noblesplasma ionizando materia neutra navegases nobles ionizados xenón criptóncampos eléctricos magnéticos aceleración ionesmotores espaciales eléctricos milinewtonsimpulso específico motores propulsores espaciales…pero como tiene masa tienes que compensar el peso del propio cable colocando un contrapeso un poquito más allá. Bueno, se podría hacer con un cable muy largo, pero ya eso sería muy largo; el triple de la geo me parece que salía o cuatro veces. Pues seguimos. Seguimos, decías que había hecho una introducción a las formas de moverse; todavía no he acabado porque me quedan los motores eléctricos. Los motores eléctricos expulsan también materia pero no neutra, en este caso hecha de partículas ionizadas, vamos, lo que viene llamándose plasma. Entonces lo que hacemos es, primero generamos plasma ionizando materia neutra que es lo que podemos llevar en la nave, típicamente gases nobles, gorditos; queremos que sean átomos gorditos para que cuando salgan a toda leche se lleven mucho momento y nos impulsen para adelante. Típicamente se usan xenón o criptón. El radón es radiactivo, molaría, pero no nos dura nada, ese no nos vale. Y una vez que hemos ionizado estos gases nobles, aceleramos los iones, las partículas cargadas resultantes, tanto electrones como iones, hemos ionizado, hemos partido en dos cachitos, mediante campos eléctricos y o magnéticos. y eso nos va a hablar de los dos motores eléctricos, los propulsores espaciales eléctricos que existen. También lo anticipaba antes, generan muy muy bajo empuje, típicamente de milinewtons, milinewtons, nada, con lo que obviamente no sirven de ninguna de las formas para despegar, para movernos dentro de la atmósfera, pero por contra son muy extraordinariamente eficientes con impulsos específicos de Miles de segundos y algunos de muchos miles de segundos, lo que los hacen ideales para misiones de larga duración como misiones interplanetarias o satélites; se utilizan ahora para que duren lo más posible. Es una tecnología, que no viene de Julio Bern, es…
Juan Carlos Gil describe un proceso de ionización doble que ocurre dentro de un motor electrostático, explicando cómo esto aumenta el impulso y la eficiencia del sistema.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3motores magnetoplasmadinámicos mpdalto empuje motores eléctricos newtonresonancia magnética ionización átomoreactor nuclear energía motores mpdbasim r radiofrecuencia radiación electromagnéticaefecto hall voltaje de hallmotores eléctricos efecto hallcampo eléctrico axial ánodo cátodoplasma campo magnético radialgas propelente xenóncampo magnético ionizacióniones positivos acelerados campo eléctricoelectrónes confinados corriente hallionización alta con átomos no ionizadoseficiencia ionización senón electronesdoble ionización cationes senónionización doble motor electrostáticoimpulso y eficiencia sistema gilelectrones decayendo espiral átomoscátodo inyección electrones cámaracarga electrostática en nave espacialmotores electrostáticos chuflas electronespluma escape eléctricamente neutraimpulsos específicos de orden 1000 segundosconstelación starlink azote astronomía amateur…estos últimos los campos, los motores electromagnéticos están en pruebas; no vuelan, no se han desarrollado de todo, pero son posiblemente el futuro a medio plazo de la exploración espacial, quizá en combinación con los motores atómicos que os hablaba antes. ¿Por qué? Porque tienen altos empujes para ser motores eléctricos; estamos hablando de un newton, un newton que es una manzana, una manzana que es aproximadamente un newton y de nuevo impulsos específicos brutales, con lo cual son extraordinariamente eficientes. Estamos hablando de unos motores que se llaman magnetoplasmadinámicos, MPD para los amigos, que ionizan el plasma con campos magnéticos. Imaginaos el campo que tienes que poner ahí para que se ionice un átomo; es como una resonancia magnética pero que te descompone, brutal, y claro, eso hace que requieran mucha energía, con lo cual lo suyo es ponerle un reactor nuclear al lado para proporcionar la energía y bueno hay otro tipo que se llama Basim R, Basimir pero sin la I final; yo siempre lo llamo Basimir para ahorrar pero le sobra una I al final que ioniza con radiofrecuencia mediante radiación electromagnética. Bueno, no me enrollo más con eso; pasamos a los de verdad que Son los motores eléctricos electrostáticos los que se usan y a su vez los hay de dos tipos: de efecto Hall y de rejilla. Los motores eléctricos de efecto Hall aprovechan el efecto; el efecto Hall es una diferencia de potencial, se llama voltaje de Hall, que aparece en un conductor por el que circula una corriente cuando se aplica un campo magnético perpendicular al movimiento de la carga. En estos motores se genera un campo eléctrico axial entre el ánodo positivo y el cátodo negativo que se está a la salida del motor y se aplica un campo magnético típicamente radial; es perpendicular al flujo del plasma pero radial, tiene simetría radial. Entonces a través del ánodo, que es el trocito que está más profundo en el Motor, se inyecta el gas propelente. El propelente típicamente xenón, que se ioniza en parte por el campo magnético del que os estoy hablando, pero fundamentalmente y esta es la gracia, por otro mecanismo que aparece ahora de forma natural según vaya hablando. Los iones positivos son acelerados por el campo eléctrico que tenemos todo el rato y salen hacia atrás a toda velocidad y generan el empuje. Pero la gracia de estos es que los electrones quedan en su gran mayoría confinados por esta corriente de Hall orbitando en La cámara de ionización y al orbitar chocan con nuevos átomos típicamente todavía no ionizados. Lo que hace que la eficacia de la ionización sea muy alta, prácticamente todo el senón que enchufas se pega con uno de estos electrones o más. Y de hecho se ha medido que hasta en un 20% de los casos se genera doble ionización, es decir, cationes, senón, dos más. Que a mí Si me cuentan eso cuando estoy en la carrera me da un pambo, pero aquí a lo bestia conseguimos hacer ionización doble de los átomos. Claro, y eso genera más impulso, eso se acelera doblemente y aquello es muy eficaz. Los electrones estos en la cámara acaban decayendo en espiral por choques con los átomos y se recogen y se inyectan estos mismos electrones por el cátodo. En la pluma, en la pluma de escape, para conseguir que no se acumule carga electrostática en la nave, que acabaría siendo eso un monopolo magnético casi, ¿no? O sea, los cationes eran acelerados y de forma artificial, entre comillas, en chuflas también electrones, intentas que la pluma sea eléctricamente neutra, ¿vale? a mí me parece súper ingenioso y tienen impulsos específicos de orden de 1000 o 2000 segundos y tiene una ventaja fundamental y es que se pueden hacer muy chiquititos, son realmente sencillos de fabricar y por eso los usan nuestros amigos el azote de la astronomía amateur y no tan amateur, la constelación Starlink. Segundo tipo se llaman iónicos. No solo amateur, yo sigo dándole vueltas a lo del impulso específico porque yo me había quedado con la idea de que eso te indica un poco, como tú has dicho, con los motores iónicos tienen poca aceleración, tienen poco empuje,…
Juan Carlos Gil explica las dificultades para diseñar motores electrostáticos debido a la complejidad inherente al plasma que utilizan.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2motores iónicos o de rejilla gilfabricación motores iónicos dificultadmotores iónicos aceleración xenónrejillas generación miles voltios satélitecampo eléctrico ionización cámara descargacátodo inyección electrones pluma neutrarejillas alineadas angstroms gilcolisiones iones motores electrostáticosmotores eléctricos problema resueltoeficiencia propelente motores eléctricosenergía eléctrica paneles sonalesreactores nucleares programa coffee breakplasma bicho muy puñeteromagnetohidrodinámica plasma homogéneoefecto hall confinamiento parcial electronestransporte anómalo corriente plasma…que tu metáforo, tu analogía es similar a la mía, con lo cual creo que adolece del mismo problema de siempre y cuando el motor produzca un empuje equivalente a su peso. Pero luego torturo la fórmula a ver qué pasa. Os hablaba del segundo tipo que se llama. Motores iónicos o de rejilla que son conceptualmente mucho más sencillos. Aunque ya veréis que son, sin embargo, más difíciles de fabricar. La clave es que se ponen dos rejillas, dos rejillas a la parte externa del motor, dos rejillas son dos cachitos con agujeritos para que salgan por ahí los cationes. Una cargada positivamente, la más interior y otra cargada negativamente Se le pega un pedazo, diferencia de potencial brutal, miles de voltios estamos hablando en un satélite y claro eso genera un campo eléctrico muy fuerte El xenon se ioniza dentro por electrones rápidos inyectados en la cámara de descarga, de nuevo cationes y electrones, de nuevo otra vez a lo bestia Los iones se aceleran hacia atrás por este campo eléctrico formado por las dos rejillas, generan empuje y de nuevo en el cátodo inyectamos más electrones para que la pluma sea neutra Aquí no hay simetría radial, ni corrientes de Hall, ni este efecto tan divertido del confinamiento de los electrones Son muy eficientes todavía, más impulso específico que los de efecto Hall Sin embargo, Las dos rejillas y sus agujeritos tienen que estar alineadas de forma ultra precisa para que aquello no se te enguarrine y se choquen todos los iones, que es lo que no quieres. Entonces tiene que estar casi a angstroms de alineamiento y por tanto son más difíciles de construir y no se pueden hacer tan pequeñitos. Genial, motores eléctricos, problema resuelto, como decían en la serie de la casa de papel, se acabó el problema Tienen muchas ventajas estos motores eléctricos, que habréis podido incluso debucir Primero, no tienen piezas móviles, nulas, o sea, ninguna, los motores químicos, que si válvulas, que si chismes dando vueltas, aquí es muy sencillo Usan, como hemos hablado, el propelente eficazmente, no tienes que llevar combustible por una parte y oxidante por otro, simplemente un propelente que ya te encargarás tú de ionizar y además usan de forma directa, sin pasos intermedios, la energía eléctrica, que es lo que, bueno, es de esperar que tengas a bordo con paneles sonales, también hemos hablado en este programa o con los reactores nucleares de los que hablábamos. ¿Qué ocurre? Pues que diseñarlos es muy complicado. ¿Por qué? Porque es muy complicada su descripción razonablemente precisa con modelos teóricos. ¿Por qué? Y van tres porqués enseguida porque estamos hablando del maldito plasma. Es un plasma, es un bicho muy puñetero Además en este caso no está en equilibrio, Héctor Tenemos turbulencia, está parcialmente magnetizado Con lo cual no es magnetohidrodinámica En el caso del magnetohidrodinámica Supones un único plasma homogéneo Aquí tienes los electrones por uno a los que tienes por otro Con lo cual hay un transporte anómalo, se llama, de corriente Y encima, en el caso del efecto Hall Los motores Hall tienes el efecto Hall con confinamiento parcial de los electrones, en fin, es una verdadera fiesta, ¿vale? Y este es el punto de... A ver, los motores químicos tampoco es que te lo puedan modelar un chaval recién acabada la carrera, ¿vale? No es nada tampoco sencilla, pero por lo menos es más razonable, porque la reacción química que ocurre, en fin, está resuelta desde el siglo XIX, yo…
Juan Carlos Gil explica por qué los motores eléctricos son caros de prototipar, destacando su sensibilidad a pequeños cambios en el diseño y la necesidad de pruebas prolongadas para detectar desgaste.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #17 · Palabras #3desgaste paredes motor eléctricomotores eléctricos diseño sensibleeficiencia ionización tobera reactores fusiónplasma reactores futuros control…qué? Si son más sencillos de fabricar y demás, preguntaréis, pues por dos motivos: primero, porque están diseñados, esa es la gracia, para que funcionen durante muchísimo tiempo, así que las pruebas, indefectiblemente, van a tener que ser muy largas. Estás buscando desgaste de las paredes del motor, etc. Con lo cual no te vale que una semana y en segundo lugar, porque estos puñeteros motores eléctricos son muy sensibles a pequeños cambios en los parámetros de diseño, apenas modificaciones minúsculas en la forma de la tobera, en fin, pueden cambiar muchísimo la eficiencia de la ionización y la estabilidad del maldito plasma que como todos sabemos es en los motores de futuro, en los reactores futuros de fusión pues es uno de los problemas que se están abordando en la actualidad: como controlar el plasma. Es decir, queremos motores eléctricos pero optimizarlos por métodos teóricos no es posible; por prototipos es tremendamente caro y es aquí ahora sí donde entran los artículos que os quería comentar pues recurramos a técnicas modernas como simulaciones o…
Juan Carlos Gil concluye la presentación sobre el modelado teórico de propulsión eléctrica, destacando la necesidad de técnicas avanzadas como simulaciones y aprendizaje automático para superar las dificultades inherentes al estudio de plasmas.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #19modelado teórico propulsión eléctricasimulaciones aprendizaje automático plasmasempuje motores eléctricos gil…lo cual es realmente bueno. Acabo Héctor, no me pongas esa cara. La propulsión eléctrica es la, junto a la nuclear, la tecnología clave de propulsión de los próximos años. Su modelado teórico es tremendamente difícil ¿y por qué? Pues porque plasmas, ¿vale? Plasmas nunca va acompañado de la palabra fácil, no se puede hacer esa frase en español. Por tanto necesitamos técnicas avanzadas como simulaciones de este tipo o aprendizaje automático, que ambas dos pues han funcionado fenomenal. Así que el futuro es brillante y hasta aquí lo que os quería contar. Nos has dicho, nos has hablado del empuje de estos motores, no nos has dicho nada. Del impulso, el impulso es cuando un desconocido te regala flores como todos sabemos en este caso le has estado echando bastante flores al motor eléctrico. Es una referencia muy viejuna Sara no lo ha pillado. Seguramente mira que siempre la pillas, Sara, esta…