Un motor iónico o propulsor iónico es un tipo de propulsor espacial que utiliza electricidad para ionizar un gas propulsor y luego acelera estos iones para producir empuje. Este tipo de motor es altamente eficiente y se utiliza principalmente en misiones espaciales que requieren cambios de velocidad bajos pero sostenidos durante largos períodos. Representa una tecnología avanzada de propulsión espacial que maximiza la eficiencia del propulsor a costa de generar un empuje relativamente bajo. Su uso es clave para la exploración del espacio profundo y para aplicaciones que requieren una operación prolongada y precisa en el espacio.
Xenón
El gas propulsor más comúnmente utilizado es el xenón debido a su alta masa atómica y su facilidad de ionización (también se han usado argón y mercurio). Este gas se ioniza mediante bombardeo de electrones. Los electrones son acelerados eléctricamente y colisionan con los átomos de xenón, arrancando electrones de los átomos y convirtiéndolos en iones positivos (Xe+).
Después hay que acelerar los iones. Para ello se crea un campo eléctrico entre dos rejillas cargadas (una positiva y una negativa). Los iones positivos de xenón son atraídos hacia la rejilla negativa. A medida que los iones se aceleran hacia la rejilla negativa, alcanzan velocidades muy altas, típicamente de decenas de kilómetros por segundo. Los iones acelerados a través de unas rejillas son expulsados del motor a alta velocidad, produciendo un empuje hacia adelante mediante la conservación del momento.
Para evitar que la nave se cargue negativamente debido a la expulsión de iones positivos, se emiten electrones (a través de un emisor de electrones) para neutralizar el flujo de iones expulsados. Esto asegura que el escape de plasma sea eléctricamente neutro.
Balance de cargas
En el proceso de creación de iones se mantiene el balance de cargas. Supongamos que tenemos en la cámara de ionización 10 átomos de xenón neutros. Un cátodo de descarga es calentado gracias a la energía de una fuente a bordo de la nave espacial (paneles solares o baterías). Se produce el llamado efecto termoiónico por el cual el cátodo caliente es calentado. Supongamos que el cátodo emite 10 electrones; entonces, el cátodo queda cargado con 10 cargas positivas. Supongamos que estos 10 electrones impactan con los 10 átomos de Xe, los cuales quedan ionizados como Xe+. Ahora tenemos 20 electrones libres que son recogidos por el ánodo. 10 de ellos compensan la carga positiva del cátodo. Los otros 10 se emplearán, a la postre, en neutralizar a los 10 iones Xe+ del flujo de salida (en realidad, se crea un plasma de cationes y electrones). Esos 10 electrones los produce un segundo sistema llamado neutralizador. Sin el neutralizador la nave quedaría cargada negativamente.
Ventajas y desventajas
Entre las ventajas de un motor de este tipo encontramos su alta eficiencia específica. Los motores iónicos tienen un impulso específico muy alto (entre 1000 y 4000 segundos), lo que significa que utilizan el propulsor de manera muy eficiente. Debido a su alta eficiencia, pueden operar durante largos períodos, lo que los hace ideales para misiones de larga duración en el espacio profundo. Además, son capaces de proporcionar un control preciso del empuje, lo cual es importante para maniobras delicadas y mantenimiento de la órbita.
Pero generan un empuje muy bajo en comparación con los motores químicos, lo que significa que no son adecuados para lanzamientos desde la superficie de la Tierra o para maniobras que requieran cambios rápidos de velocidad. Además, necesitan una fuente de energía eléctrica significativa, como paneles solares o generadores de radioisótopos, lo cual puede ser un limitante en ciertas misiones. El diseño y la fabricación de motores iónicos son complejos y costosos en comparación con los motores químicos tradicionales.
Los motores iónicos pueden alcanzar una eficacia de combustible un orden de magnitud superior a la de los motores de cohete de combustible líquido, pero restringidos a aceleraciones muy bajas por la relación potencia-masa de los sistemas disponibles.
Así lo explica la Agencia Espacial Europea:
Los dos tipos de motor tienen tácticas de propulsión muy diferentes. El cohete químico hace uso de una enorme combustión, tal vez unos minutos, al comienzo de la misión para obtener la aceleración necesaria, después de todo, no tiene sentido llevar todo ese peso extra en tanques de propulsor. El motor iónico, por otro lado, se mantiene funcionando a un empuje bajo durante días o incluso meses. Al igual que la tortuga, superará a la liebre, ¡pero esta tortuga al final viajará mucho más rápido de lo que la liebre puede correr! Desafortunadamente, el empuje de un motor iónico es tan bajo que nunca será posible usarlo para lanzar un satélite desde la Tierra, solo para alimentarlo una vez que esté en órbita. Esta es una tortuga que necesita un ascensor hasta el poste de salida.
Aplicaciones
Los motores iónicos se utilizan principalmente en aplicaciones donde la eficiencia del propulsor y la capacidad de operar durante largos períodos son más importantes que la cantidad de empuje generado. En satélites de comunicaciones son útiles para el mantenimiento de la órbita y la corrección de deriva.
Son muy adecuados en misiones de exploración del espacio profundo. La sonda Dawn de la NASA utilizó un motor iónico para visitar los asteroides Vesta y Ceres.
En misiones que requieren cambios de velocidad prolongados y sostenidos, como las misiones de transferencia entre planetas también son válidos.
