¿Cómo crean los propulsores de iones una fuerza contra la nave espacial?

Hace poco vi un hilo antiguo, ¿ Cómo crean los motores de reacción una fuerza contra el cohete? , recibe un golpe, y plantea una buena pregunta: en un cohete químico, el hecho de que el escape del cohete sea expulsado significa que la Tercera Ley de Newton requiere que haya alguna fuerza actuando sobre el cohete en la otra dirección, pero la Tercera Ley en sí mismo no especifica cuál es esa fuerza, y la respuesta es que es la presión del gas en la cámara de combustión y en la campana del motor lo que produce una fuerza desequilibrada en el motor.

Me gustaría hacer exactamente la misma pregunta, pero para un propulsor de iones . Al igual que en el cohete químico, el hecho de que haya una corriente de iones que se aleja a alta velocidad implica que debe haber un punto en el que los iones salientes ejerzan algún tipo de fuerza eléctrica sobre el propulsor. Entonces: ¿cuál es la naturaleza de esta fuerza y ​​cómo funciona?

A través de la electrostática. Al igual que un acelerador de iones (Cockroft-Walton o Van de Graaff) aquí en la Tierra. Eleve el potencial de la fuente de iones por encima de la 'tierra' o la "tierra" de la nave espacial, genere iones, y el ion positivo acelera alejándose del potencial positivo a través de la ley de Coulomb.
@JonCuster Sí, obviamente es a través de la electrostática; de ahí la etiqueta. El resto de su comentario solo detalla el mecanismo a través del cual el propulsor imparte fuerza al ion, que no es lo que estoy preguntando.
Bueno, pero el ion imparte fuerza de regreso basado en la misma interacción de Coulomb. Entonces, no estoy un poco claro. La fuente de iones está unida a la nave espacial, el ion no, por lo que en el marco de la nave espacial sale volando. Sé que sabes esto, así que me pregunto qué tipo de respuesta estás buscando aquí.
@JonCuster No lo había trabajado a mi satisfacción, y pensé que otros estarían en una mejor posición para escribir una cuenta completa que formaría un recurso valioso para futuros visitantes.

Respuestas (1)

El principio es muy simple, aunque, por supuesto, construir las cosas es mucho más complicado.

Paso 1

Un gas propulsor se ioniza entre dos placas cargadas. Los cationes son atraídos por la placa negativa y repelidos por la placa positiva y adquieren una energía mi = q V y un impulso pag = 2 metro mi .

Las placas, debido al potencial al que están sujetas, también llevan una carga eléctrica (que es lo que atrae y repele los iones), y estas cargas también sienten una (pequeña) fuerza desequilibrada proveniente de los iones, por lo que las placas ( y la nave espacial a la que están unidos) adquieren un impulso igual y opuesto − pag . Entonces, la fuerza electrostática empuja a los cationes en un sentido y a la nave espacial en el otro.

Los electrones adquieren la misma energía cinética, pero como son mucho más ligeros que los cationes, su cantidad de movimiento es insignificante. Son los cationes los que impulsan la nave espacial.

Paso 2

La placa negativa es una rejilla, por lo que la mayoría de los cationes vuelan directamente a través de la rejilla y salen por el otro lado. En este punto, los electrones recogidos en la placa positiva se recombinan con el gas de escape cargado para neutralizarlo. El gas neutralizado no siente fuerza electrostática, por lo que sale disparado básicamente con el mismo impulso que ganó cuando se aceleró entre las placas.

El resultado final es simplemente que el propulsor va en una dirección y las dos placas cargadas, y la nave espacial a la que están unidas, va en la otra dirección.

Y los electrones no salen volando por la parte trasera de la nave espacial ya que no serán acelerados fuera de la fuente (lo que solo lleva a tener que tener un cañón de electrones para la conservación de la carga, pero eso no proporcionará mucho empuje como usted indica).
He hecho algunas ligeras ediciones de simplificación. Buena respuesta, gracias por escribirla.
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