¿Cómo genera empuje exactamente un propulsor magnetoplasmadinámico (MPD)?

Creo que estás pensando demasiado en esto. Al final del día, las cosas son expulsadas por la espalda muy rápido, y ese impulso empuja a la nave espacial hacia adelante. Al final del día, es un motor de reacción.

Sin embargo, hay algunos detalles que podemos analizar. (Descargo de responsabilidad obligatorio: no soy un experto en MPDT, pero creo que sé lo suficiente para responder esto).

Según tengo entendido [...]

Correcto.

Pero la mayor parte de la corriente será transportada por electrones debido a su mayor movilidad, ¿verdad?

Correcto, pero tenga en cuenta que estos electrones son electrones "nuevos" que literalmente salen del cátodo mismo, moviéndose del cátodo al ánodo (es decir, la corriente fluye de ánodo a cátodo). El plasma en sí es eléctricamente neutro. El movimiento de los iones y electrones del plasma puede ocurrir, pero no es relevante para el funcionamiento del propulsor.

Los átomos de gas que inicialmente se mueven en la dirección axial luego sufrirán colisiones ionizantes con los electrones y luego se dispersarán en alguna dirección.

No precisamente. Los electrones no se mueven muy rápido y, en cualquier caso, los átomos no se dispersan de los electrones tanto como los electrones se dispersan de los átomos. Todo es un plasma, por lo que el concepto de un átomo unido es un poco cuestionable de todos modos: especialmente con los gases propulsores más livianos y el uso de MPDT de baja presión, los iones y los electrones básicamente no interactúan físicamente.

En una descarga de plasma, el plasma a granel suele estar casi libre de campo, mientras que las grandes caídas de potencial se producen en las superficies de los electrodos. Simplemente no veo por qué los iones deberían moverse también en dirección radial, lo que significa que no son necesariamente acelerados hacia el exterior por el campo magnético.

El impulso (total) debido al campo eléctrico se basa en última instancia en la diferencia de potencial (total), por lo que solo importa la magnitud, no la forma en que varía internamente. Pero en realidad esto no es relevante ya que en un MPDT la mayor parte de la aceleración parece provenir del campo magnético en lugar del campo eléctrico.

Independientemente de si el campo magnético es un campo propio debido a la corriente de ánodo-cátodo o un campo aplicado (externo), el campo magnético se envuelve alrededor del motor. Si trabaja con la fuerza de Lorentz, verá que las partículas de ambas cargas se aceleran hacia atrás en esta configuración.

^{Fuente de imagen}

La fuerza de Lorentz es$\mathbf{F}=q(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times\mathbf{B})$. Cuando el propulsor está entrando, los iones (el$q$) tiene una velocidad$\mathbf{v}$perpendicular a la$\mathbf{B}$, y así experimentar una aceleración. En el interior del motor, esto es radial, pero como sugiere la figura, el campo magnético se dobla; en la parte trasera del motor, la aceleración resultante para los iones positivos es hacia atrás.

Los electrones en el plasma se acelerarían en sentido contrario, pero finalmente se unirían a los iones mucho más pesados ​​debido a la electrostática.

(Poner en orden)

¿Solo se aceleran los electrones y luego arrastran los iones con ellos por difusión ambipolar?

Como arriba, tanto los electrones como los iones son acelerados por la fuerza de Lorentz.

Tampoco entiendo cómo los portadores de carga pueden proporcionar la corriente de descarga necesaria mientras se aceleran simultáneamente hacia el exterior.

Como arriba, la corriente entre el ánodo y el cátodo involucra electrones "nuevos" que literalmente salen del cátodo mismo. Estos son acelerados por el campo, pero finalmente un número igual de electrones encuentran su camino de regreso al ánodo, mientras que el plasma sale eléctricamente neutral.

Tenga en cuenta que la corriente que se produce no necesita depender tanto de los electrones individuales o de su velocidad como de su volumen. Los electrones pueden producir poderosas corrientes mientras apenas se mueven. También tenga en cuenta que en un MPDT de campo aplicado, el objetivo principal de la corriente es ionizar el propulsor; esto no requiere tanto una alta corriente como un alto voltaje; el campo magnético real en esta configuración se aplica externamente.