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    Cómo funcionan los cohetes de plasma
    La empresa Ad Astra Rocket, una empresa de ingeniería de vuelos espaciales en Costa Rica, se dedica al desarrollo de tecnología avanzada de propulsión de cohetes de plasma. John B. Carnett / Bonnier Corporation

    Cinco. Cuatro. Tres. Dos. Uno. ¡Despegar! Al cielo dispara un cohete, moviéndose rápidamente más allá de nuestra atmósfera y hacia el espacio exterior. En el último medio siglo, la gente ha pasado de mirar con asombro las estrellas que brillan en el cielo nocturno a vivir durante meses en la Estación Espacial Internacional entre los cuerpos celestes. Y mientras los humanos han puesto un pie en la luna, el aterrizaje en cualquier lugar más lejano se ha reservado solo para naves no tripuladas y robots.

    Un lugar que la gente está muy interesada en visitar es Marte. Aparte de los desafíos reales de aterrizar y pasar el tiempo en un lugar tan poco acogedor como el planeta rojo, existe el gran obstáculo de llegar allí. De media, Marte está a unos 225,3 millones de kilómetros de la Tierra. Incluso cuando en su punto más cercano, todavía está a unos 35 millones de millas (56,3 millones de kilómetros) de nuestro planeta [fuente:St. Fleur]. Usar los cohetes químicos convencionales que normalmente nos llevan al espacio exterior tomaría al menos siete meses para llegar allí, no exactamente un corto período de tiempo [fuente:Verhovek]. ¿Hay alguna forma de que podamos hacerlo más rápido? ¡Entra en el cohete de plasma!

    En lugar de utilizar combustible convencional para cohetes, Los científicos e ingenieros han recurrido a la promesa de los cohetes de plasma para impulsarnos a los confines del espacio exterior. En este tipo de cohete, Se utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos para descomponer los átomos y moléculas de un gas propulsor en una colección de partículas que tienen carga positiva (iones) o carga negativa (electrones). En otras palabras, el gas propulsor se convierte en plasma.

    En muchas configuraciones de este motor, luego se aplica un campo eléctrico para expulsar los iones por la parte trasera del motor, que proporcionan empuje a la nave espacial en la dirección opuesta [fuente:Zyga]. Con esta tecnología optimizada, teóricamente, una nave espacial podría alcanzar una velocidad de 123, 000 mph (198, 000 km / h) [fuente:Verhovek]. A esa velocidad ¡Podrías llegar de Nueva York a Los Ángeles en un minuto!

    Contenido
    1. Plasma:el cuarto estado de la materia
    2. Tipos de cohetes de plasma
    3. Próxima parada ... ¿Marte?

    Plasma:el cuarto estado de la materia

    Un hombre mira el televisor LCD HD más grande del mundo en una convención en Berlín. Los televisores de plasma ahora son muy comunes. snapshot-photography / ullstein bild a través de Getty Images

    El mundo generalmente se divide en tres estados de materia:sólido, líquido y gas. Cuando la materia está fría es sólido. A medida que se calienta se convierte en líquido. Cuando se aplica más calor, tienes un gas. La historia no termina ahí sin embargo. A medida que agrega aún más calor, obtienes - ¡plasma! La energía y el calor adicionales rompen los átomos neutros y las moléculas del gas en iones típicamente cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Las partículas cargadas dan al plasma propiedades conductoras interesantes, por eso, la tecnología de plasma se utiliza para fabricar todo tipo de artículos que usamos todos los días. Chips de ordenador, señales de neón, incluso el revestimiento metálico del interior de una bolsa de patatas fritas se crea utilizando tecnología de plasma. Y por supuesto, está la televisión de plasma que usa plasma para liberar fotones de luz, brindándole una visualización en color de píxeles en su pantalla. De hecho, El 99 por ciento de la materia ordinaria del universo está en estado de plasma [fuente:Charles].

    La mayoría de las estrellas incluido nuestro sol, están hechos de plasma. Si es tan frecuente en el universo, ¿Por qué no lo vemos mucho en la Tierra? Bien, actualmente, hacemos. Las luces del norte y del sur son creadas por los vientos solares. ¿Y qué son los vientos solares? ¡Plasma! OK, no todo el mundo tiene la suerte de ver estas espectaculares pantallas de luz, pero puedes ver el plasma en acción durante otro espectáculo de luces asombroso que ofrece la naturaleza:una tormenta eléctrica. Mientras la electricidad de un rayo fluye por el aire, proporciona tanta energía a las moléculas en su camino que los gases en el rastro del rayo se transforman en plasma.

    La tecnología de plasma también se ha utilizado en cohetes para ayudarnos a desplazarnos por el espacio exterior. y es la más prometedora para llevar a los humanos a lugares con los que antes solo podíamos soñar. Estos cohetes deben estar en el vacío del espacio exterior para funcionar, ya que la densidad del aire cerca de la superficie de la tierra ralentiza la aceleración de los iones en el plasma necesarios para crear el empuje. por lo que en realidad no podemos usarlos para despegar desde la tierra. Sin embargo, Algunos de estos motores de plasma han estado operando en el espacio desde 1971. La NASA los usa típicamente para el mantenimiento de la Estación Espacial Internacional y los satélites. así como la principal fuente de propulsión al espacio profundo [fuente:NASA].

    Tipos de cohetes de plasma

    El astronauta y físico costarricense Franklin Chang Díaz explica la evolución de su proyecto de motor de plasma. MAYELA LOPEZ / AFP / Getty Images

    Todos los cohetes de plasma operan según el mismo tipo de principio:los campos eléctricos y los campos magnéticos trabajan uno al lado del otro para transformar primero un gas, generalmente xenón o criptón, en plasma y luego acelerar los iones en el plasma fuera del motor a más de 45, 000 mph (72, 400 km / h), creando un empuje en la dirección del viaje deseado [fuente:Science Alert]. Hay muchas formas en que esta fórmula se puede aplicar para crear un cohete de plasma que funcione, pero hay tres tipos que se destacan como los mejores y más prometedores [fuente:Walker].

    Propulsores de pasillo son uno de los dos tipos de motores de plasma que se utilizan actualmente con regularidad en el espacio. En este dispositivo, Los campos eléctricos y magnéticos se establecen de forma perpendicular en la cámara. Cuando se envía electricidad a través de estos campos de duelo, los electrones comienzan a moverse a gran velocidad en círculos. A medida que el gas propulsor se rocía en el dispositivo, los electrones de alta velocidad eliminan los electrones de los átomos del gas, creando un plasma que consiste en los electrones libres (que llevan cargas negativas) y los átomos (iones) ahora cargados positivamente del propulsor. Estos iones salen disparados de la parte trasera del motor y crean el empuje necesario para impulsar el cohete hacia adelante. Mientras que los dos procesos de ionización y aceleración de los iones ocurren en pasos, ocurren dentro del mismo espacio en este motor. Los propulsores Hall pueden generar una cantidad significativa de empuje para la potencia de entrada utilizada, para que puedan ir increíblemente rápido. Pero existen límites en su eficiencia de combustible.

    Cuando la NASA busca un motor que ahorre más combustible, se convierte en cambio en motores de iones cuadriculados . En este dispositivo de uso común, Los campos eléctricos y magnéticos están situados a lo largo de las paredes de la cámara del motor. Cuando se aplica energía eléctrica, Los electrones de alta energía oscilan dentro y a lo largo de los campos magnéticos cerca de las paredes. De manera similar al propulsor Hall, los electrones pueden ionizar el gas propulsor en plasma. Para realizar el siguiente paso de creación de empuje, Las rejillas eléctricas se colocan al final de la cámara para acelerar la salida de los iones. En este motor, la ionización y la aceleración ocurren en dos espacios diferentes. Si bien el motor de iones de cuadrícula es más eficiente en combustible que un propulsor Hall, la desventaja es que no puede generar tanto empuje por unidad de área. Dependiendo del tipo de trabajo que buscan hacer, Los científicos y los ingenieros aeroespaciales eligen qué motor se adapta mejor a la misión.

    Finalmente, existe el tercer tipo de motor:VASIMR, corto para Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable . Este cohete desarrollado por el ex astronauta Franklin Chang Diaz, sólo existe en la fase de prueba ahora. En este dispositivo, los iones se crean a través de ondas de radio generadas por una antena para formar el plasma. Otra antena más abajo agrega energía que hace que los iones giren en un círculo muy rápido. Un campo magnético proporciona direccionalidad para que los iones se liberen del motor en línea recta, entregando así el empuje. Si funciona, este cohete tendrá un enorme rango de aceleración, algo que el propulsor Hall y el motor de rejilla de iones no pueden lograr tan fácilmente.

    Próxima parada ... ¿Marte?

    Los cohetes convencionales son geniales y nos han llevado lejos, pero tienen sus limitaciones. Estos cohetes también funcionan sobre la base del empuje:el motor quema combustible, creando un gas a alta presión que sale de la boquilla del cohete a alta velocidad y el cohete se propulsa en la dirección opuesta [fuente:Cerebro]. Combustible para cohetes, sin embargo, es muy pesado y super ineficaz. No puede proporcionar suficiente energía para llegar a lugares rápidamente. El combustible del cohete se quema en el esfuerzo por salir de la tierra y entrar en órbita, y luego la nave espacial básicamente se ve obligada a deslizarse [fuente:Verhovek].

    Un cohete de plasma por otra parte, utiliza mucho menos combustible que estos motores convencionales:100 millones de veces menos combustible, de hecho [fuente:Science Alert]. Es tan eficiente en el consumo de combustible que puede pasar de la órbita de la Tierra a la órbita de la luna con apenas 113 litros (30 galones) de gas [fuente:Charles]. Los cohetes de plasma se aceleran gradualmente y pueden alcanzar una velocidad máxima de 34 millas (55 kilómetros) por segundo durante 23 días. que es cuatro veces más rápido que cualquier cohete químico [fuente:Verhovek]. Menos tiempo de viaje significa menos riesgo de que el barco experimente fallas mecánicas y los astronautas se expongan a la radiación solar. pérdida ósea y atrofia muscular. Con VASIMR, La propulsión también estará disponible teóricamente durante la totalidad del viaje, lo que significa que los cambios de dirección podrían ser posibles en cualquier momento.

    Para ser realista en este punto, Viajar a Marte en poco tiempo está todavía muy lejos. Alcanzar este tipo de distancias extremas requerirá mucha potencia. La mayoría de los propulsores Hall y los motores de iones en cuadrícula funcionan con aproximadamente 5 kilovatios de potencia. Para alcanzar los niveles de potencia que necesitarías para llegar a Marte en unos 40 días, necesitaría al menos 200 veces esa cantidad [fuente:Walker]. La fuente de energía más viable para generar esta cantidad de energía mientras se está en el espacio exterior son las fuentes de energía nuclear integradas en el motor. En este momento, sin embargo, Poner una fuente de energía nuclear en un cohete que disparamos desde la Tierra al espacio representa una amenaza excesiva de exposición a la radiación en el caso de un accidente.

    Por lo tanto, la fuente de energía para alcanzar esas distancias sigue siendo un gran desafío. Sin mencionar la incertidumbre de cómo reaccionaría el cuerpo humano al viajar 34 millas (54 kilómetros) por segundo (en contraposición a las 4,7 millas o 7,5 kilómetros por segundo que viajan los astronautas para llegar a la órbita terrestre inferior en cohetes convencionales) [fuentes:Verhovek , Grupo de Razonamiento Cualitativo de la Universidad de Northwestern. Pero en teoria dado suficiente poder, estos motores tienen la capacidad de llegar a Marte en unos 40 días, una hazaña que no nos hubiéramos atrevido a soñar hace solo 50 años.

    Publicado originalmente:29 de septiembre de 2016

    Preguntas frecuentes sobre el cohete de plasma

    ¿Qué es un cohete de plasma?
    En este tipo de cohete, Se utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos para descomponer los átomos y moléculas de un gas propulsor en una colección de partículas que tienen carga positiva (iones) o carga negativa (electrones). En otras palabras, el gas propulsor se convierte en plasma.
    ¿Qué tan rápido puede ir un cohete de plasma?
    Con esta tecnología optimizada, una nave espacial teóricamente podría alcanzar una velocidad de 123, 000 mph (198, 000 km / h). A esa velocidad ¡Podrías llegar de Nueva York a Los Ángeles en un minuto!
    ¿Cuál es el motor más rápido para viajes espaciales?
    Actualmente, la sonda solar Parker, que se lanzó en 2018 para estudiar el sol, es el objeto más rápido jamás creado por humanos, incluyendo naves espaciales. Según la NASA, hasta la fecha, ha alcanzado velocidades de 244, 255 millas por hora (393, 044 kilómetros por hora) y se esperaba que alcanzara una velocidad máxima de aproximadamente 430, 000 millas por hora en 2024.
    ¿Cuáles son los diferentes tipos de motores de plasma?
    Propulsores de pasillo, motores de iones en cuadrícula y cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASMIR).
    ¿Qué tan rápido puede ir el motor VASIMR?
    Según Ad Astra Rocket Company, la empresa detrás de VASIMR, el VASIMR no tiene velocidad máxima. En cambio, el cohete continuará acelerando su nave espacial hasta que se quede sin combustible.

    Mucha más información

    Nota del autor:Cómo funcionan los cohetes de plasma

    Primero leí "El marciano, "y ahora he escrito este artículo. ¡Nunca había estado tan entusiasmado con Marte! No estoy seguro de querer ir allí yo mismo, ¡pero más poder para los astronautas que algún día puedan caminar sobre el planeta rojo!

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    Fuentes

    • Allain, Rhett. "¿Qué tiene de especial la órbita terrestre baja?" Cableado. 15 de septiembre 2015. (25 de agosto de 2016) http://www.wired.com/2015/09/whats-special-low-earth-orbit/
    • Cerebro, Marshall. "Cómo funcionan los motores de cohetes". HowStuffWorks.com. 1 de abril 2000. (25 de agosto de 2016) https://science.howstuffworks.com/rocket.htm
    • Charles, Christine. "El cuarto estado de la materia - plasma". TEDx-Canberra. 3 de noviembre 2014. (24 de agosto de 2016) https://www.youtube.com/watch?v=n-17xqfF4FU
    • Harris, Tomás. "Cómo funcionan las pantallas de plasma". HowStuffWorks.com 19 de marzo de 2002. (9 de septiembre de 2016) https://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm
    • Nadis, Steve. "El cohete revolucionario que podría transportar humanos a Marte". Revista Discover. 18 de abril 2014. (24 de agosto de 2016) http://discovermagazine.com/2014/may/12-rocketman
    • NASA. "Descripción general de los propulsores Hall". (30 de agosto, 2016) http://www.grc.nasa.gov/WWW/hall/overview/overview.htm
    • NASA. "Tres clases de órbita". (25 de agosto, 2016) http://earthobservatory.nasa.gov/Features/OrbitsCatalog/page2.php
    • Grupo de Razonamiento Cualitativo de la Universidad de Northwestern. "¿Qué tan rápido pueden ir los cohetes convencionales?" (9 de septiembre, 2016) http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/propulsion/2-how-fast-conventional.html
    • Alerta científica. "Este motor de plasma podría llevar a los humanos a Marte con 100 millones de veces menos combustible". 28 de octubre 2015. (25 de agosto de 2016) http://www.sciencealert.com/this-plasma-engine-could-get-humans-to-mars-on-100-million-times-less-fuel
    • St. Fleur, Nicolás. "Un encuentro cercano para la Tierra y Marte". New York Times. 30 de mayo 2016. (9 de septiembre de 2016) http://www.nytimes.com/2016/05/31/science/mars-earth-closest-approach.html?_r=0
    • Verhovek, Sam Howe. "El 123, Motor de plasma de 000 MPH que finalmente podría llevar a los astronautas a Marte ". Popular Science. 13 de octubre de 2010. (24 de agosto de 2016) http://www.popsci.com/technology/article/2010-10/123000-mph-plasma-engine-could-finally-take-astronauts-mars
    • Caminante, Mitchell. Profesor Asociado de Ingeniería Aeroespacial, Instituto de Tecnología de Georgia. Entrevista personal. 25 de agosto 2016.
    • Zyga, Lisa. "El cohete de plasma podría viajar a Marte en 39 días". Phys.org. 6 de octubre 2009. (24 de agosto de 2016) http://phys.org/news/2009-10-plasma-rocket-mars-days.html
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