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Sara RobiscoJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasGastón Giribetimpulso específico motores iónicosaceleración pequeña kilo xenóntiempo aceleración con combustibleconcepto impulso específico hectór socasaceleración y tiempo combustibleanalogía gil aceleración motorempuje equivalente al peso motormotores iónicos o de rejilla gilfabricación motores iónicos dificultadmotores iónicos aceleración xenónrejillas generación miles voltios satélitecampo eléctrico ionización cámara descargacátodo inyección electrones pluma neutraHéctor SocasStarlinkmotor de efecto HallJuan Carlos GilMotores iónicosmotor StirlingXenonCristina HernándezFalsentauriChen KuiJoseph WangUniversidad del Sur de CaliforniaLos ÁngelesUniversidad de VirginiaPlasma Sources Science and TechnologyRamjet4000 segundosserie KHTUniversidad de Michiganmotores Hall
Motores iónicos aceleración xenón
Ep 503: Propulsión Espacial; Computación Cuántica; Fusiones de Estrellas de Neutrones; Agujeros Negros
13 de marzo de 20258 momentos
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Héctor Socas reflexiona sobre los motores iónicos y su impulso específico, explicando cómo permiten una aceleración pequeña pero sostenida durante largos periodos de tiempo con una cantidad limitada de combustible.
…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, pero tienen muchísimo impulso específico; quiere decir que la aceleración es muy pequeña pero la puedes sostener durante mucho tiempo. Con un kilo de xenón, con un kilo de xenón te da para, yo que sé, meses. Puedes estar mucho tiempo acelerando con ese kilo. Creo recordar que el concepto que yo tenía en mente era algo así como cuánto tiempo puede sostener una aceleración de un G con un kilo de combustible, lo cual no quiere decir que el motor pueda producir un G de empuje, porque eso depende del empuje que tenga el motor, pero si pudiera, ¿cuánto tiempo podría sostenerlo? Puede ser con un kilo, siempre con un kilo de... No sé si es equivalente a la definición, pero bueno, me había quedado con la idea de que eso te da una idea de durante cuánto tiempo puedes sostener una aceleración, aunque esa aceleración sea pequeña; que sea pequeña o grande ya depende del empuje del motor. Creo 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…
Significado #2 · Palabras #1
Juan Carlos Gil interrumpe la explicación de Héctor Socas sobre el impulso específico para aclarar que este valor representa la capacidad del motor para mantener una aceleración y su eficacia en el uso del combustible.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #16impulso específico motor aceleracióneficacia uso combustible motoreshéctór socas impulso específicoimpulso específico motor juan carlos gileficacia motores iónicos misiones interplanetalesvalor 4000 segundos impulso específico…pesa un gran motor de cohete? ¿Una tonelada? Pues no, da muchísimo más empuje que una tonelada y por tanto la relación no es lineal, desafortunadamente. Quería traer una posibilidad de visualizar de alguna forma que eso sea un tiempo, pero es poco afortunado. Bueno, ¿qué hacemos entonces en el espacio? Perdona, te vuelvo a interrumpir, pero independientemente entonces del que sea un tiempo, lo que nos da idea este impulso específico, es algo así como la capacidad de sostener una aceleración que puede tener ese motor. No exactamente, es eficacia; con una palabra sería eficacia, lo bien que utiliza un motor es su combustible. Con un kilo de combustible, ¿cuánto consigue sostenerse? ¿Vale? Y ya te digo, lo que pasa es que 4000 segundos no significa que durante lo que sea eso, 80 segundos, haga nada en especial. Tenemos que abstraernos y utilizarlo como una medida abstracta, pero tiene dimensiones de segundos. Mide la eficacia. Cuanto más alto sea el impulso específico, más eficaz es el motor. No significa que dé más newtons; eso es el empuje. Ya veremos que los motores iónicos de los que quiero hablar tienen poco empuje, pero muchísimo impulso específico y por eso son especialmente útiles para misiones de muy larga duración como las interplanetales. En el espacio, os he mentido; he dicho que en el espacio no hay nada contra lo que apoyarse y no quería pasar esta oportunidad de decir que hay algo. Gastón lo sabe muy bien; hay campos, aunque no hay materia en general, pero en el espacio hay campos y es…
Juan Carlos Gil explica los detalles técnicos de los motores eléctricos utilizados en la propulsión espacial, mencionando el uso de gases nobles ionizados como xenón o criptón.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #7 · Palabras #11motores 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 el funcionamiento de un motor eléctrico electrostático, explicando cómo se inyecta gas propelente (xenón) y se ioniza mediante un campo magnético para generar empuje.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #6 · Palabras #6gas 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 cámara…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,…
Héctor Socas reflexiona sobre los motores iónicos y su impulso específico, explicando cómo permiten una aceleración pequeña pero sostenida durante largos periodos de tiempo con una cantidad limitada de combustible.
Habla: Héctor SocasSignificado #2 · Palabras #1impulso específico motores iónicosaceleración pequeña kilo xenóntiempo aceleración con combustibleconcepto impulso específico hectór socasaceleración y tiempo combustibleanalogía gil aceleración motorempuje equivalente al peso motormotores iónicos o de rejilla gilfabricación motores iónicos dificultadmotores iónicos aceleración xenónrejillas generación miles voltios satélitecampo eléctrico ionización cámara descargacátodo inyección electrones pluma neutra…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, pero tienen muchísimo impulso específico; quiere decir que la aceleración es muy pequeña pero la puedes sostener durante mucho tiempo. Con un kilo de xenón, con un kilo de xenón te da para, yo que sé, meses. Puedes estar mucho tiempo acelerando con ese kilo. Creo recordar que el concepto que yo tenía en mente era algo así como cuánto tiempo puede sostener una aceleración de un G con un kilo de combustible, lo cual no quiere decir que el motor pueda producir un G de empuje, porque eso depende del empuje que tenga el motor, pero si pudiera, ¿cuánto tiempo podría sostenerlo? Puede ser con un kilo, siempre con un kilo de... No sé si es equivalente a la definición, pero bueno, me había quedado con la idea de que eso te da una idea de durante cuánto tiempo puedes sostener una aceleración, aunque esa aceleración sea pequeña; que sea pequeña o grande ya depende del empuje del motor. Creo 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…
Juan Carlos Gil introduce un artículo sobre simulaciones de Blasov para estudiar el comportamiento de la pluma de escape en motores iónicos.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #18 · Palabras #13simulaciones blasov haz propulsión eléctricaestructura pluma escape motores iónicosfrente expansión cinética electrones chen kuirelación termodinámica flujo calor universidad california…es tremendamente caro y es aquí ahora sí donde entran los artículos que os quería comentar pues recurramos a técnicas modernas como simulaciones o Inteligencia Artificial. Y de esto van dos artículos, uno de cada una de las dos técnicas que os he comentado. El primero se titula Simulaciones de Blasov del haz de propulsión eléctrica y se ha publicado en la revista Plasma Sources Science and Technology el 11 de diciembre del año pasado. Está firmado por Chen Kui y Joseph Wang, de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles y la de Virginia; los dos son americanos. Y el objetivo de este artículo era estudiar el comportamiento de la pluma de escape, lo que se da por fuera, en motores iónicos y en particular la estructura de esta pluma incluyendo el frente de expansión, la cinética de los electrones, que es, bueno, lo veremos un poquito luego; es fundamental y su relación, la relación de la cinética con las propiedades termodinámicas, el flujo del calor, vamos, que lo quieres tener ajustado. Hasta hace nada, los estudios de este tipo de motores se hacían considerando a los electrones como un fluido sin masa y usaban leyes empíricas para los iones de laz, con lo cual te dan un modelo que con una calculadora programable se podría explorar, pero…
Juan Carlos Gil explica cómo se generaron los 18.000 puntos de datos utilizados para entrenar el modelo Hall NN, detallando la proporción de simulaciones de motores Hall reales y datos semirreales con parámetros aleatorios.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #19motores hall serie kht estudiosimulaciones motores hall realesdatos semirreales parámetros aleatoriosred neuronal diversidad entrenamientovalidación datos experimentales michigan…puntos, 18.000 generados, ¿cómo? Por simulaciones. Simulaciones híbridas, de las que hablamos antes, PIC, y esas para iones y átomos neutros pero para los electrones utilizaban de nuevo un fluido sin masa porque si no no les daría para hacer 18.000 ¿vale? De esos 18.000 puntos, 13.500 correspondían a simulaciones de motores Hall reales que fabrican de la serie KHT, que fabrican dos de las entidades del estudio. Dos de las propias filiaciones del estudio hacen motores iónicos y por eso han financiado este estudio. Y otros 3.500 se los añaden a los datos semirreales porque son simulados con parámetros aleatorios: motores un poquito absurdos para darle gracia a la red neuronal, para aumentar su diversidad, la diversidad del conjunto de entrenamiento. Y una vez que está entrenada la red, la validan con datos como experimentales porque tienen los motores. Los motores de la serie KHT reales y además otro que no aparece para nada en datos de entrenamiento: que es un motor real de la Universidad de Michigan. Bueno, resumiendo, los resultados son muy buenos: el empuje tiene errores inferiores a entre el 5 y el 9%, que aquí esto es tremendo, y la corriente de descarga entre el 6 y el 12%. Estos errores son inferiores a las leyes de escala que se utilizaban hace…
Juan Carlos Gil explica un concepto similar a la propuesta de Cristina Hernández sobre cohetes que toman propulsor del aire, mencionando los motores Ramjet como ejemplo de tecnología que acelera el aire a velocidades supersónicas.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #14motores ramjet aceleran aire supersónicocristina hernández propulsor cohetes aireviaje sistema solar motores eficientes…sentido si llevas un motor nuclear y en vez de acelerar hidrógeno que lo tienes que llevar desde abajo lo vas cogiendo del aire a priori a falta de cálculos eso debería ahorrar debería ahorrar energía y por tanto aumentar la energía la eficiencia del motor. Algo parecido se hace y no sé si alguna vez se ha fabricado; creo que se han hecho prototipos, con motores de reacción o motores aeronáuticos y se llaman Ramjet, los motores que aceleran de forma supersónica el aire entrante. De hecho, Cristina hace una segunda pregunta: es que ya las he leído antes y lo había estado pensando ¿Cuál sería la forma más eficaz, creo que dice, ya te lo ahorro Héctor, para viajar en el sistema solar de forma eficaz con una combinación quizá de motores de los que has dicho? Ya está un rato pensando y voy a publicar un artículo y me va a tocar mencionarla como coautora, porque se me ha ocurrido la siguiente posibilidad Es obviamente absurda falta de hacer números, pero como idea esto es gratis, podemos llevar un reactor nuclear,…
Héctor Socas continúa la discusión sobre métodos de propulsión espacial, respondiendo a la propuesta de Juan Carlos Gil sobre el uso de motores iónicos para viajes largos en el sistema solar.
Habla: Héctor SocasSignificado #8 · Palabras #5reactor nuclear alimentación motor eléctricomotor stirling generación electricidad reactorxenon propulsor reactor nuclear térmicomotor stirling ciclo enfriamiento calorfalsentauri con motor stirlingimpulso especifico motor ionicomotores iónicos aceleración continualanzador combinando motores fasesvelocidad de la leche sistema solarjuan carlos gil propuesta propulsión…a una fase de un motor nuclear térmico como el que os he comentado antes, con el mismo reactor nuclear Y entonces dejaríamos de coger oxígeno, aire, porque ya no hay lo suficiente y empezaríamos a utilizar como propulente hidrógeno que llevaríamos en La nave y una vez que gastásemos ese hidrógeno para acelerar lo máximo posible, luego podríamos seguir utilizando, por qué no, el reactor nuclear para alimentar a un motor eléctrico; pasaríamos a Xenon y utilizaríamos el mismo reactor nuclear. ¿Qué pasa? Un reactor nuclear térmico no te serviría bien para generar electricidad, con lo cual tendrías que utilizar algo así como un motor Stirling. ¿Se acuerdan del motor Stirling que utiliza un ciclo de enfriamiento y calor? Con lo cual hay que hacer números ahí, pero vamos, nos podemos ir al Falsentauri con un motor; bueno, técnicamente es una complejidad tremebunda, pero suena chulo. A día de hoy el método para, digamos, moverte en distancias largas por el sistema solar, el método que se considera preferido es el motor iónico, por lo que decía Juan Carlos: de que tienes un impulso específico muy grande. Lo que pasa es que tienes un empuje muy pequeñito. Entonces son motores que tardan mucho en acelerar, pero van acelerando continuamente, con lo cual al final acabas consiguiendo una velocidad de la leche. Pero el problema es lanzar eso, entonces necesitarías un lanzador, o sea, combinando diferentes motores para diferentes fases, como propone Juan Carlos. Quizás te podría dar la solución óptima. O sea, pones un cohete grande y luego una nave con una propulsión diferente para moverse luego en diferentes fases del Viaje y está dando ideas, espera que está probando ya el paper. Yo estoy escribiendo, el motor este de Gil, ¿cómo se llama ya Cristina? Que ahora estoy poniendo nombre. Utiliza el único reactor nuclear para las tres fases. Hernández García, el motor Gil…