¿Cuánto cuesta llenar un motor de iones con xenón para el sistema de propulsión de una nave espacial?

Un artículo de junio de 2005 Energetics of Propellant Options for High-Power Hall Thrusters (PDF) de Alex Kieckhafer y Lyon B. King, Universidad Tecnológica de Michigan, publicado para las actas de la Conferencia nuclear espacial, San Diego, CA, proporciona un costo del gas xenón de $ US 850/kg. Eso pone 16 toneladas métricas en $ US 13,6 millones.

Pero ese es el precio del mercado libre, como es evidente en el papel:

Actualmente, el xenón se puede comprar por aproximadamente $ 5 por litro estándar ( $ 850/kg).

De Capturing and Recycling of Xenon From A Cryopumped Vacuum Chamber (PDF) artículo de Michael W. Swiatek, Sierra Lobo, Inc., publicado para la 46.ª Conferencia conjunta de propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE en julio de 2010 en Nashville, TN (ejecutivo resumen de lo que se refiere a su pregunta):

Este gas [xenón] es atrapado por las criobombas como parte del sistema de bombeo de alto vacío y normalmente se desecha a través de la ventilación una vez finalizada la prueba.

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La necesidad de un método eficiente de recuperación y reciclaje de xenón se hizo evidente cuando el costo por litro se multiplicó por 10 en cuestión de ocho años.

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Ha habido intentos previos realizados en el Centro de Investigación Glenn de la NASA para capturar y reciclar gas xenón. El proceso típico disponible comercialmente utiliza un cilindro enfriado en un baño de nitrógeno líquido que actúa como una superficie de bombeo criogénico para capturar el xenón al solidificarlo en la pared del tanque. Este proceso se instaló y probó, pero se encontró que no era efectivo debido a las pérdidas de conductancia.

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Las estimaciones iniciales del costo de refinar el xenón reciclado serían una cuarta parte del costo de comprar uno nuevo.

Así que la NASA podría encontrar ahorros sustanciales en el precio del xenón si lo extrajeran de las superficies cybombadas por su cuenta, y el documento afirma que eso es lo que la NASA Glenn ya está haciendo. No pude encontrar ninguna cifra, precisa o no, sobre cuánto ahorra la NASA con él y cuánto les cuesta el gas xenón, pero podría bajar hasta aproximadamente $ 250 / kg (estimación alta, amortizando sin rodeos costos de inversión inicial y otros, cotizados como $ 25,000 de compras de hardware para instalar [uno de] el sistema de recuperación en GRC ).

O, en resumen, podría costarle a la NASA tan solo 4 millones de dólares por 16 toneladas métricas de gas xenón porque tienen muchas superficies criobombadas en otros sistemas donde podrían extraerlo del aire por su cuenta.

El xenón, como gas raro, tiene grandes fluctuaciones de precio a lo largo del tiempo. Los factores que incluyen quién lo obtiene, qué pureza se requiere y cuánto se compra a la vez afectarán el costo. Para algo como alimentar un motor de propulsión de iones, supongo que habría una gran compra a granel con tarifas especialmente negociadas directamente de las unidades de separación de aire. La población en general puede comprar xenón por litro en forma gaseosa de la mayoría de las compañías de gas comprimido. Durante los últimos 15 años que he trabajado en el campo de gas comprimido y líquido criogénico, he visto vender 1 litro de xenón a US $ 5,50/L para grado industrial hasta US $ 19,50/L para grado 5.5 (99,9995 % puro) . No sé qué grado de material se requiere para estos motores.

No se puede agregar un comentario, así que aquí hay una respuesta en su lugar:

• El grado de xenón es bastante puro: investigación o el acertadamente llamado grado de propulsión.
• Cuesta ~$15/litro. Algunas cotizaciones pueden ser más altas. Me imagino que si comprara muchas decenas de kilolitros, podría obtener un descuento en el precio.
• La captura/recuperación de xenón es para pruebas terrestres. Como detalla el artículo de Swiatek, NASA Glenn hace esto. Durante la prueba, el xenón se captura en las superficies criogénicas. Estos paneles no funcionan en atmósfera. El proceso de recuperación captura ese xenón durante la regeneración de la bomba criogénica en lugar de simplemente descargarlo a la atmósfera.
• Sí, el xenón para una misión en el espacio profundo cuesta mucho. También es bastante caro para la prueba.
• Como se señaló, estas misiones cuestan mucho, por lo que el costo del xenón es un pequeño porcentaje.

En 1998, la producción de xenón se estimó en 5000-7500 m ³ /año. Según esta respuesta , 1 kg = 170 l, por lo que 5000 m ³ son 29,4 t. Una misión que requiere 16 t necesita la mitad de la producción anual mundial, por lo que tendría que distribuir nuestra compra en varios años para evitar un aumento de precios.

Probablemente valga la pena agregar que el xenón es lo suficientemente caro como para considerar seriamente alternativas menos eficientes. La constelación Starlink usa Krypton para sus propulsores de iones. Alibaba muestra Krypto a alrededor de ~ $ 100 / metro cúbico, que es menos de una décima parte del volumen de precios.