En 1964, la Unión Soviética lanzó una nave espacial llamada Zond 2 con destino a Marte. Su misión era orbitar el planeta rojo, fotografiar la superficie, buscar señales de metano en la atmósfera y liberar una segunda nave para que llegara hasta la superficie.

Pero unos meses después del lanzamiento, la problemática fuente eléctrica de Zond 2 falló. Los soviéticos perdieron contacto y nunca volvieron a saber de ella. Hoy en día, la misión se considera un fracaso, uno más de los muchos relacionados con Marte.

Pero Zond 2 tenía un objetivo más. La nave espacial estaba equipada con seis propulsores revolucionarios para el control de altura. Conocidos como motores de chorro de plasma, estos dispositivos nunca se habían utilizado en el espacio. Pero durante varias pruebas después del lanzamiento, Zond 2 demostró que podían funcionar.

Desde entonces, varias naves espaciales han confiado en esta forma de propulsión (y en una forma un poco diferente basada en propulsores de iones). Estos motores ofrecen importantes ventajas sobre los cohetes químicos convencionales porque son más simples, más ligeros y más eficientes.

También son bastante más pequeños que los propulsores químicos. Eso los hace útiles para los fabricantes de nanosatélites, las naves espaciales cada vez más comunes que pesan menos de 10 kilogramos y que suelen ser un poco más grandes que un cubo de Rubik.

Pero los motores de propulsión a base de plasma no son perfectos. Convertir el carburante a bordo en plasma y controlar su flujo es un proceso delicado que consume energía y, a veces, incluso puede dañar el propio motor. Por eso, encontrar maneras de mejorar los motores de propulsión a base de plasma es algo que interesa mucho a los fabricantes de pequeños satélites.

El científico de la Universidad de Purdue en West Lafayette (EE. UU.) Adam Patel y sus colegas han creado un nuevo diseño para un propulsor a plasma tan pequeño como los anteriores pero con potencial de ser aún más fiable y eficiente.

Primero, algunos antecedentes sobre el carburante en el que se basan los propulsores a plasma. La mayoría de ellos utiliza un combustible sólido como el politetrafluoroetileno, también conocido como teflón. Es fácil de almacenar, pero para usarlo, se debe vaporizar pasando una corriente por la superficie.

El vapor se enciende, creando una "combustión súbita generalizada" que lo convierte en plasma. Luego, este plasma atraviesa un campo electromagnético, donde choca con una fuerza de aceleración que impulsa a la nave en la dirección opuesta.

El problema es que esta ablación es un proceso de prueba y error. La velocidad es difícil de controlar, lo que puede provocar que el empuje no sea uniforme. Además, la superficie de teflón a veces se rompe y expulsa desechos en forma de macropartículas que interfieren con el funcionamiento del motor.

Y por si fuera poco, el sistema de encendido que activa el proceso de combustión súbita generalizada se puede dañar con el tiempo. Todos estos problemas, al final, limitan la eficiencia de los propulsores a base de plasma de combustible sólido a menos del 15 %.

Una forma de evitar esto consiste en almacenar el combustible en estado gaseoso y controlando su liberación con un sistema de inyección de gas. Esto aumenta la eficiencia del motor hasta en un 70 %. Pero estos sistemas son voluminosos y complejos, y el gas en sí tiene un volumen bastante mayor que su masa sólida equivalente. Por eso resulta difícil instalarlo en un nanosatélite.

Patel y sus colegas aseguran poder solucionar estos problemas con un combustible líquido. "Un propulsor a base de plasma con combustible líquido podría superar varias desventajas asociadas a los dispositivos de propulsión a plasma tradicionales", afirma la investigación.

Para demostrarlo, han construido un prototipo de un sistema de micropropulsión con combustible líquido como prueba de concepto y lo han puesto a prueba en una cámara de vacío. Como combustible, han sumado pentafenil trimetil trisiloxano (C₃₃H₃₄O₂Si₃), un líquido viscoso con baja presión de vapor que también es un excelente dieléctrico.

El equipo también diseñó un nuevo sistema de encendido de bajo consumo energético. Consiste en dos electrodos de placa separados por un dieléctrico. Funciona al aumentar el voltaje a través de las placas hasta un valor umbral en el cual el dieléctrico se vaporiza y se convierte en plasma. En este caso, el dieléctrico es el combustible líquido. Luego, el plasma entra en los campos electromagnéticos, donde acelera.

La ventaja de este tipo de encendido es que el voltaje umbral es siempre el mismo, así que la cantidad de energía requerida para la combustión súbita generalizada siempre es limitada. Esto reduce el posible daño del conjunto de la combustión súbita generalizada con el tiempo.

En las pruebas, Patel y sus compañeros utilizaron este sistema de encendido para más de 1,5 millones de casos de combustión súbita generalizada sin observar ningún daño importante en el dispositivo. Otros modelos pueden empezar a fallar después de solo 400 ciclos de encendido. Patel y su equipo continuaron midiendo la velocidad del escape de plasma a 32 kilómetros por segundo. Esto les permitió calcular que el motor produce una propulsión de hasta 5,8 newtons.

Se trata de un primer y firme paso hacia mejores sistemas de micropropulsión para nanosatélites. No obstante, hay más trabajo de desarrollo por delante. Una tarea importante será diseñar y construir un sistema simple de combustible líquido que funcione de forma fiable en gravedad cero. En estos experimentos, los investigadores inyectaron el líquido en el sistema de encendido manualmente con una jeringa.

No es difícil imaginarse cómo automatizar este paso, pero los líquidos son muy difíciles de controlar en gravedad cero. Por lo tanto, Patel y su equipo tendrán que trabajar mucho para desarrollar un sistema simple y confiable para los fabricantes de satélites. Pero eso ya queda por ver.

Patel y sus compañeros tienen mayores ambiciones para su dispositivo. La investigación concluye: "Los resultados de este trabajo ofrecen información valiosa para poder desarrollar un propulsor a base de plasma con combustible líquido listo para volar". Será interesante ver cómo lo consiguen.

Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Liquid-Fed Pulsed Plasma Thruster for Propelling Nanosatellites