¿Por qué los propulsores de iones tienen tanta hambre de energía?

Question

¿Por qué los propulsores de iones tienen tanta hambre de energía?

Espacio
energía
propulsión
propulsor de iones

chandrahas

Los propulsores de iones necesitan mucha energía. Pero no entiendo por qué. Entonces, una cosa que entiendo es que se necesita mucha energía para lograr una alta velocidad de escape (ya que la energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado), pero obtenemos poco impulso. Todo esto es genial. Pero, la energía requerida proviene de las redes. La carga presente en estas rejillas no cambia (debido a la óptica de iones), por lo tanto, pueden acelerar partículas para siempre siempre que la cámara de ionización tenga suficiente presión para permitir que los iones entren en el espacio de la rejilla. Ahora, se necesita energía para ionizar el gas. Pero cuando lo calculé, obviamente no está en kilovatios.

Las paredes de las cámaras están cargadas positivamente. Las paredes actúan como un ánodo y absorben los electrones del plasma. Entonces, lo que me preguntaba era si la carga constante de estas paredes podría consumir tanta energía. Luego traté de calcular la energía necesaria para hacer esto a través del conocimiento de la función de trabajo de los metales y descubrí que requiere menos de 100 vatios de energía. Estoy bastante seguro de que esto está mal , pero no entiendo por qué los propulsores de iones tienen tanta hambre de energía.

Estoy hablando de para qué estamos usando la energía y cómo se traduce en la energía del haz de iones. Como ionización, etc; no cómo calcular la energía necesaria.

Frailecillo

No está tan claro si su pregunta es sobre pérdidas o simplemente sumar la potencia básica del haz después de eliminar todas las pérdidas. Una forma de ver esto es Pe. eta = 0,5 .mdot Ve^2. Donde Pe es la potencia eléctrica bruta, y eta son las pérdidas y el lado derecho es la potencia útil en el haz (mdot es el caudal másico, Ve es la velocidad de escape). La aceleración de las rejillas debe proporcionar el lado derecho y una combinación de ineficiencias da como resultado eta. Quizás la energía de ionización es un componente importante de eta. ¿Podría aclarar un poco su pregunta con esto en mente?

jamesqf

Si la carga en las rejillas fuera el único factor, los iones se acelerarían a medida que se acercaran a la rejilla y luego se desacelerarían en la misma cantidad cuando la dejaran. Es esa cosa de la conservación de la energía :-)

NZKshatriya

Nota para OP, intente usar * en cada extremo de una línea para enfatizar. De lo contrario, pareces gritar.

Jasén

los iones se mueven rápido, eso requiere mucha energía:

E = 0.5 m v^{2}

$E=0.5 mv^2$ pero el momento es lineal con la velocidad

p = m v

$p=mv$ ,

Respuestas (6)

¿Por qué los propulsores de iones tienen tanta hambre de energía?

No está tan claro si su pregunta es sobre pérdidas o simplemente sumar la potencia básica del haz después de eliminar todas las pérdidas. Una forma de ver esto es Pe. eta = 0,5 .mdot Ve^2. Donde Pe es la potencia eléctrica bruta, y eta son las pérdidas y el lado derecho es la potencia útil en el haz (mdot es el caudal másico, Ve es la velocidad de escape). La aceleración de las rejillas debe proporcionar el lado derecho y una combinación de ineficiencias da como resultado eta. Quizás la energía de ionización es un componente importante de eta. ¿Podría aclarar un poco su pregunta con esto en mente?
Si la carga en las rejillas fuera el único factor, los iones se acelerarían a medida que se acercaran a la rejilla y luego se desacelerarían en la misma cantidad cuando la dejaran. Es esa cosa de la conservación de la energía :-)
Nota para OP, intente usar * en cada extremo de una línea para enfatizar. De lo contrario, pareces gritar.
los iones se mueven rápido, eso requiere mucha energía: $E=0.5 mv^2$ pero el momento es lineal con la velocidad $p=mv$ ,

marca h · Answer 1

Lo que hay que notar sobre este tipo de impulso es que los iones se encuentran primero con la rejilla aceleradora cargada positivamente. Los iones que proporcionan el empuje al cohete también tienen carga positiva, por lo que serán repelidos y contenidos dentro de la cámara de plasma. El único medio de los iones para llegar al interior de la rejilla de aceleración es la difusión, lo que significa que un ion ya debe tener suficiente energía cinética para acercarse y atravesar la rejilla de aceleración positiva. Si un ion no tiene suficiente energía cinética para atravesar la rejilla positiva, se reflejará de regreso a la cámara de plasma y no contribuirá a la aceleración del cohete.

Los iones en la cámara de plasma se comportan como un gas en el sentido de que tienen una amplia gama de energías cinéticas. Solo los iones de mayor energía alcanzan el campo de aceleración entre las rejillas. Hay dos formas de aumentar la tasa de iones que ingresan al campo de aceleración entre las rejillas: aumentar la temperatura del plasma y aumentar la densidad. La primera forma aumenta la energía cinética promedio de los iones, lo que permite que más de ellos atraviesen la rejilla positiva y alcancen el campo de aceleración. El segundo crea más iones, lo que lleva a más iones acelerados solo como una cuestión de probabilidad.

Por lo tanto, el gasto de energía proviene de mantener el plasma lo suficientemente caliente y denso para obtener suficientes iones en el campo de aceleración a una velocidad lo suficientemente rápida para el empuje deseado. Esto sería cierto incluso en un cohete ideal sin pérdidas debido a la pérdida de calor en las paredes de la cámara, pérdida de carga en la rejilla debido a la absorción de iones/electrones, pérdida de iones debido a la recombinación, etc. Si no hubiera entrada de energía, el plasma se enfriaría y se diluiría a medida que perdía sus iones de mayor energía por el escape (enfriamiento por evaporación). Eventualmente, la cámara de plasma no tendría nada más que iones de baja energía contenidos por las paredes y la rejilla cargada positivamente, incapaces de escapar.

Pero en un propulsor de iones, ¿cómo se calienta el plasma? Entonces, la energía se consume para mantener la presión. Pero, ¿cómo mantiene la presión?
@Chandrahas El plasma se calienta por el impacto de los electrones acelerados desde el cátodo hueco. Los electrones impactan en los átomos propulsores, ionizándolos y calentándolos. La presión no es la cantidad en la que desea pensar para los cohetes de iones. Densidad del plasma (átomos/cm $^3$ ) y la temperatura son las cantidades relevantes. La densidad se mantiene inyectando más átomos propulsores en la cámara. La temperatura se mantiene golpeando estos átomos con el haz de electrones ionizantes.
Lo siento, ha pasado mucho tiempo, pero por favor podrías hacer el cálculo, eso me ayudaría mucho. Gracias
La energía cinética requerida de las partículas para entrar en el espacio de la rejilla de aceleración. (Creo que la temperatura de los iones sería diferente de la temperatura de los electrones. ¿Cómo calcularíamos esto?)
Para una primera aproximación, imagine un ion en la rejilla positiva y déjelo regresar a la cámara de plasma. Será acelerado hasta que esté en una región de voltaje cero a una distancia infinita. Su energía cinética será $qV$ , dónde $q$ es la carga iónica y $V$ es la tensión de red positiva. Invierta el tiempo, y un ion con esta energía entrará en el campo de aceleración desde la parte posterior de la cámara. Se necesitará menos energía porque la cámara de plasma no es infinitamente larga y la rejilla negativa disminuirá el voltaje real, pero esta es una primera aproximación decente.

uwe · Answer 2

uwe

Un propulsor convencional con dos propulsores líquidos también requiere energía. Pero es energía química almacenada en los propulsores. Los propulsores de iones no utilizan energía química en absoluto, toda la energía del haz de iones proviene de la energía eléctrica utilizada por el propulsor. De hecho, un motor de cohete convencional con mucho más empuje que un propulsor iónico utiliza mucha más energía química.

Frailecillo

Sí, en el clavo. Escribí una respuesta dirigida a una forma diferente de propulsión aquí space.stackexchange.com/questions/14201/… - Lo estoy vinculando tal como tiene ecuaciones con un formato agradable. Estas ecuaciones básicas se aplican por igual a las fuentes de energía químicas y eléctricas, la energía tiene que venir de alguna parte.

chandrahas

Sí, la energía potencial debida a los iones y las rejillas simplemente se convierte en energía cinética y la carga en las rejillas no cambia. Por lo tanto, no tenemos que 'suministrar' energía directamente. ¿Quizás indirectamente... como la carga de las paredes para que los iones puedan entrar en el espacio de la red en primer lugar? Entonces, ¿dónde estamos físicamente suministrando energía físicamente? Esto es lo que no entiendo. Entiendo que la energía tiene que venir de alguna parte. (¿Pero cargar las paredes consume tanta energía?)

Hobbes

Interesante, pero no creo que esto responda la pregunta.

uwe

@Chandrahas: Las rejillas no solo están cargadas, hay una corriente que fluye. Sin corriente, el flujo de iones no podría acelerarse. La energía del haz de iones proviene de la energía eléctrica utilizada por el impulsor de iones.

LocalFluff

Entonces, ¿por qué no usar energía química, como las celdas de combustible, para generar energía eléctrica para el motor de iones?

SGR

@LocalFluff Creo que, libra por libra, sería más eficiente usar combustibles químicos en lugar de una celda de combustible conectada a un motor de iones. La única forma en que un motor de iones tiene sentido es utilizar la energía obtenida de alguna otra fuente, como la energía solar o un reactor nuclear.

LocalFluff

@SGR Pensé que la velocidad de escape diez veces mayor era la clave del triunfo de la propulsión eléctrica, demostrada por la misión Dawn. ¡¿Pero dices que la ventaja de SEP es simplemente recolectar energía ambiental en el espacio?!

Frailecillo

@Chandrahas A su comentario "¿Pero cargar las paredes requiere tanta energía?" una vez más, creo que esto vuelve a aclarar la pregunta. ¿Está preguntando sobre la potencia para suministrar el haz, mdot Ve ^ 2, o la potencia perdida en ineficiencias? Su cálculo sobre la energía de ionización es efectivamente una pérdida, ya que no contribuye a la potencia del haz. Pareces convencido por "tanta energía" de que hay mucho poder involucrado. ¿Es posible que esté asumiendo que la energía de ionización es una gran parte de la potencia total y, por lo tanto, suponga que su estimación de 100 W es incorrecta?

chandrahas

Sí. Supuse que la mayor parte de la energía se destina a la ionización. De todos modos, no me refiero a pérdidas. Estoy hablando de un motor ideal. ¿Por qué tiene que haber una corriente que fluya y no solo 2 placas cargadas? ¿Es aquí a donde va la energía (producción del haz)?

Frailecillo

Sí, la mayor parte de la energía eléctrica se destina a la producción del haz. puede calcular la potencia del haz como (1/2) * caudal másico * Ve^2. Veo el motor como una caja negra que produce empuje. En esta visión de muy alto nivel, cualquier energía que no esté en el haz es una pérdida de la misma manera que con un cohete químico cualquier energía que escape como calor (una gran fracción) también es una pérdida. Desde este punto de vista, el proceso de ionización y la corriente que va al ánodo son todas pérdidas. Después de eso, no puedo ayudar con el proceso de aceleración de la red, hay muchos detalles ahí.

usuario17622 · Answer 3

Primero os recomiendo echar un vistazo al apartado 2.6 del libro "Fundamentos de la propulsión eléctrica (...)" de los investigadores de la NASA Dan Goebel e Ira Katz. Es gratis en Internet y muestran un balance de energía bastante bueno para un propulsor convencional. Aquí está el enlace para el pdf: Fundamentos de Propulsión Eléctrica .

En segundo lugar, la ecuación para calcular el consumo total de energía sería:

PAGS = \frac{{gramo}_{0} T {yo}_{s pags}}{2 η_{T}}

$P = \frac{g_0 T I_{sp}}{2\eta_T}$

Por ejemplo, para que un propulsor produzca 150 mN de empuje con un impulso específico de 2000 segundos y una buena eficiencia de 0,8, el consumo de energía sería ya de 1,875 kW. Esta ecuación se demuestra en la sección 2.5 del mismo libro, y se deriva simplemente de la relación:

η_{T} = \frac{{PAGS}_{j mi t}}{{PAGS}_{i norte}}

$\eta_T = \frac{P_{jet}}{P_{in}}$

La potencia cinética del haz , llamada potencia del chorro, se define como

{PAGS}_{j mi t} = \frac{1}{2} {\dot{metro}}_{pags} v_{mi}^{2} = \frac{T^{2}}{2 {\dot{metro}}_{pags}}

$P_{jet} = \frac{1}{2} \dot{m}_p v_e^2 = \frac{T^2}{2\dot{m}_p}$

Por lo tanto, como se explica en el libro, la mayor parte de la potencia se usa simplemente para la aceleración pura del haz. Todos los demás consumos de energía (ionización, pérdidas de pared, colisiones en las rejillas, etc.) se contabilizan en la eficiencia y son menores en comparación con la aceleración electromagnética del haz.

Pero mi pregunta es ¿a dónde estamos suministrando físicamente la energía? ¿Para cargar las paredes? ¿Ionizar el gas?...
Para acelerar el cohete. La energía se utiliza para crear un campo que acelera los iones en una dirección y el propulsor en otra. Cada vez que un ion se mueve en ese campo, extrae energía del campo eléctrico. La mayor parte va en una corriente de iones entre las rejillas positiva y negativa del diagrama.
Sí, la mayor parte de la potencia la consume la propia aceleración. El resto del consumo (la menor parte) se debe a pérdidas de iones, efectos de pared, cátodo, etc. En el libro hay una lista de posibles efectos. Aún así, el poder más importante se puede calcular a partir de la ecuación idealizada que mostré.
+1 por incluir matemáticas, ¿puedes describir las variables aquí también? Los enlaces tienden a romperse con el tiempo, las respuestas como esta son mucho mejores si también pueden valerse por sí mismas, por lo que los futuros lectores aún pueden aprender de ellas. Algo así como "...dónde $\eta_T$ es el..."

dmckee --- gatito ex-moderador · Answer 4

En cierto sentido, la ISP maravillosamente alta de los propulsores de iones es la causa de su hambre de energía, independientemente de los detalles de su funcionamiento.

Funciona así: necesitamos una cierta cantidad de delta-v (después de todo, para eso está un propulsor) o, más formalmente, una cierta cantidad de impulso $J$ , y lo vamos a conseguir tirando masa por la borda.

j = Δ {metro}_{combustible} v_{escape} .

$J = \Delta m_\text{fuel} v_\text{exhaust} \;.$ (Aquí tomamos

Δ m_{fuel}

$\Delta m_\text{fuel}$ ser lo suficientemente pequeño como para despreciar los términos de alto orden. Esto se puede escribir en términos diferenciales para formalizar eso, pero en realidad no cambia el argumento).

Ahora calculamos el costo de la energía. $W$ de esta elección en términos de cuánta masa arrojamos por la borda (escribiendo $K$ para la energía cinética de los gases de escape en relación con la nave espacial):

\begin{aligned} W & = Δ k \\ = \frac{1}{2} (Δ {metro}_{combustible}) v_{escape}^{2} \\ = \frac{j^{2}}{2 Δ {metro}_{combustible}} . \end{aligned}

$\begin{align*} W &= \Delta K \\ &= \frac{1}{2} (\Delta m_\text{fuel}) v_\text{exhaust}^2 \\ &= \frac{J^2}{2\,\Delta m_\text{fuel}} \;. \end{align*}$

Entonces, para un impulso fijo, usar más masa de combustible requiere menos energía (despreciando la eficiencia del mecanismo de accionamiento).

Desde este punto de vista, los motores con velocidades de escape muy altas son peores que mejores.

Pero los usamos de todos modos por varias razones. Primero, la tiranía de la ecuación del cohete (con su dependencia exponencial de la relación de masa) eclipsa otras consideraciones, segundo el lanzamiento desde la superficie requiere un alto empuje a casi cualquier costo y tercero, el costo de energía para los propulsores químicos se paga en la fabricación en lugar de cuando el cohete es operado y eso significa lado tierra donde la energía es abundante.

En términos de satélites y motores de sonda, lo que domina es la cuestión de la fracción de masa.

Una descripción de cuán eficiente es el motor de iones mejoraría esta respuesta. Si esto explica un gran porcentaje del uso de energía del motor de iones, esto resuelve en parte el problema del OP; si solo explica un porcentaje extremadamente pequeño, esto no resuelve el problema del OP.

códigoMono · Answer 5

La base de la cohetería es la conservación del impulso:

$p=mv$ (momento = masa * velocidad)

Como se conserva la cantidad de movimiento, el cambio en la cantidad de movimiento del propulsor es igual al cambio en la cantidad de movimiento del cuerpo del cohete.

Además: la energía de un objeto en movimiento se define mediante la ecuación de energía cinética:

$KE = {1\over2}mv^2$ (La energía cinética es igual a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado)

Tenga en cuenta que el término de velocidad es lineal en la primera ecuación y al cuadrado en la segunda.

Si, por ejemplo, duplicaste la velocidad de tu propulsor y redujiste a la mitad la masa, el cambio en el impulso seguiría siendo el mismo, ¡pero la energía requerida para lograr ese cambio se habría duplicado!

Entonces, los motores de iones parecen "energéticamente ineficientes" porque están acelerando propulsores de baja masa a velocidades muy altas.

En algunas aplicaciones, esto está perfectamente bien: es costoso poner masa en órbita, por lo que puede tener sentido usar un motor menos "eficiente en energía" para ahorrar masa en propulsor. La velocidad del propulsor también define el límite superior en la ecuación de los cohetes, por lo que teóricamente son posibles velocidades finales más altas. En otros casos, esta característica no es deseable.

SF. · Answer 6

Además de lo que es la causa principal descrita por otros: sobre toda la energía de escape proveniente del suministro eléctrico, a diferencia de la energía química del propulsor, en propulsores de iones más avanzados como VASIMR hay un "sumidero" más para toda esa electricidad.

Su motor químico normal está hecho de aleaciones superiores resistentes a altas temperaturas y altas presiones, con un sistema de enfriamiento activo para evitar que se derritan y se rompan, y todo eso para obtener energía propulsora un orden de magnitud inferior a la que manejan los motores iónicos.

El propulsor ionizado, acelerado a docenas de kilómetros por segundo, actuaría como un plasma extremadamente abrasivo y extremadamente caliente que haría un trabajo corto de cualquier boquilla, rejilla, generalmente todos los elementos estructurales sólidos de la unidad. Las unidades más simples se ocupan de esto de manera simple: deje que suceda, acortando la vida útil de la unidad y poniendo un límite superior en el delta-V alcanzable porque antes de que se quede sin propulsor, la unidad muere. Los más avanzados utilizan el único "material" que puede manejar este tipo de condiciones, y es total e inmediatamente "autocurativo": el campo magnético. En VASIMR, por ejemplo, en ningún momento después del sistema de ionización el gas toca los elementos estructurales; está completamente atrapado dentro de un "sistema de plomería" completo y bastante complejo hecho completamente de campos magnéticos.

...y se necesita mucha electricidad para mantener estos electroimanes en funcionamiento. Después de todo, deben ser lo suficientemente fuertes como para detener y desviar partículas que se mueven a varias docenas de km/s, de forma completamente independiente de todos los sistemas hambrientos de energía que aceleran las partículas a estas velocidades.

¿Por qué no podemos usar electroimanes en su lugar? El campo magnético no depende del tiempo, ¿verdad?
@Chandrahas: estamos usando electroimanes. ¿Quizás quiso decir imanes permanentes? No puedo responder a esta, la física del plasma está más allá de mi nivel de conocimiento, aunque probablemente sea la misma razón por la que no podemos usarla en un stellator ...

¿Por qué los propulsores de iones tienen tanta hambre de energía?

chandrahas

Frailecillo

jamesqf

NZKshatriya

Jasén

Respuestas (6)

marca h

chandrahas

marca h

chandrahas

marca h

chandrahas

marca h

marca h

uwe

Frailecillo

chandrahas

Hobbes

uwe

LocalFluff

SGR

LocalFluff

Frailecillo

chandrahas

Frailecillo

usuario17622

chandrahas

pjc50

usuario17622

UH oh

dmckee --- gatito ex-moderador

Yakk

códigoMono

SF.

chandrahas

SF.

chandrahas