La propulsión por iones funciona mediante la aceleración de partículas cargadas eléctricamente, o ionizadas, para así empujar al vehículo espacial. Uno de los motores de iones más comunes, conocido como propulsor “Hall Effect,” ioniza electrones de gas atrapados en un campo magnético. Después, los iones resultantes son acelerados utilizando el potencial mantenido entre el ánodo y el cátodo. Sin embargo algunos de los electrones emitidos deben también utilizarse para neutralizar los iones en la columna emitida desde el vehículo espacial, y así prevenir que el propio vehículo se cargue eléctricamente. Los propulsores Hall Effect existentes deben utilizar alrededor del 10 por ciento del gas propulsor xenon del vehículo para crear los electrones necesarios tanto para hacer funcionar el motor como para neutralizar el haz de iones.
Los investigadores de Georgia Tech crearon un cátodo de emisión de campo para el propulsor utilizando nanotubos de carbono. En este tipo de cátodo, los electrones son emitidos después de pasar por un túnel que actúa como barrera potencial. El diseño de nanotubos de carbono es especialmente eficiente puesto que los nanotubos son increíblemente fuertes y conductivos. “Al usar nanotubos de carbono, podemos conseguir todos los electrones que necesitamos sin tener que usar ningún propulsor,” afirma Mitchell Walker, investigador principal del proyecto y profesor asistente en el Laboratorio de Propulsión Eléctrica de Alta Potencia en Georgia Tech. Esto significa que la misión puede utilizar un 10 por ciento más de propulsión, extendiendo el ciclo vital del vehículo espacial.
“Podemos extraer los electrones de la punta del material a menos de 0,25 voltios por micrón,” lo que da como resultado un sistema tremendamente eficiente, afirma Jud Ready, investigador coprincipal del proyecto. Por el contrario, los cátodos huecos normalmente utilizados en los propulsores de iones requieren el uso de aparatos electrónicos de gran peso, y es preciso calentarlos a miles de grados para obtener el amplio voltaje.
Es más, puesto que los nanotubos son delgados y de bajo peso, se pueden aplicar a la superficie del cuerpo del propulsor, lo que en potencia permite al vehículo espacial transportar cargas mayores y ocupar menos espacio en los vehículos de lanzamiento. Walker presentó un estudio acerca del nuevo cátodo a principios de este año en la Joint Propulsions Conference and Exhibit en Denver, y afirma que el nuevo sistema podría estar listo para su lanzamiento en tres o cinco años.
“El examinado de los nanotubos de carbono para su uso en cátodos es un método relativamente nuevo, y es uno de los que se han estado investigando a lo largo de la última década,” señala Michael Patterson, el investigador principal del nuevo sistema de propulsión por iones dentro del programa NEXT de la NASA. Los investigadores del Centro de Investigación Glenn de la NASA han investigado el uso de microestructuras hechas de materiales similares al diamante, aunque han tenido dificultades a la hora de usarlos. “Generalmente tienen un ciclo vital corto una vez se ven sujetos a ambientes erosivos o a corrientes muy bajas,” señala Patterson.
Para crear los cátodos de nanotubos de carbono, los investigadores de Georgia Tech cultivaron los nanotubos de carbono multi-pared utilizando plasma en vez de la deposición de vapor químico convencional. “Necesitamos controlar con precisión la altura de los nanotubos de carbono, que para nuestro diseño es de 10 micrones,” señala Ready.
Busek, una compañía de propulsión espacial con sede en Natick, Massachusetts, también está desarrollando cátodos de nanotubos de carbono que ya están certificados para su uso en el espacio. Ready afirma que los investigadores tienen una buena relación con la compañía y estarían interesados en trabajar con ella para comercializar su propia tecnología.
Los investigadores de Georgia Tech han probado la durabilidad de sus nanotubos de carbono mostrando que son capaces de sobrevivir a las vibraciones generadas durante el lanzamiento. Los nanotubos tienen un ciclo vital de 368 horas. El grupo ha recibido una subvención de 6,5 millones de dólares de la DARPA, el brazo del Departamento de Defensa de los EE.UU. dedicado a la investigación y el desarrollo, y ya ha comenzado la segunda fase de las pruebas.
“Los nanotubos de carbono son un área de investigación de gran valor que podrían ayuda os a mejorar el rendimiento general,” afirma Patterson. Añade que los cátodos de nanotubos de carbono podrían ser más apropiados para vehículos espaciales de baja potencia y pequeños satélites, puesto que la tecnología de cátodos estándar es la más cara en estos sistemas. “Una gran fracción del propulsor se desperdicia en el cátodo.”