Propulsores coloidales o de electropulverización: ¿alguna ventaja sobre los propulsores iónicos?

No he visto mucho sobre propulsores coloidales o de electropulverización además de ese artículo de Wikipedia y algunas preguntas aquí. La idea es similar a los propulsores de iones en que la masa propulsora se rompe en pequeños fragmentos, se ioniza y se acelera electrostáticamente. La diferencia está en la naturaleza de los pequeños bits.

Los propulsores de iones pueden lograr altas eficiencias de ionización, la mayoría de los átomos propulsores que salen se ionizan y aceleran con éxito.

Sin embargo, si entiendo correctamente, un propulsor coloidal solo rompe el propulsor en pequeñas gotas y las ioniza y acelera. La carga máxima que puede poner en una pequeña gota o partícula sólida es solo una pequeña fracción del número de electrones porque la fuerza de Coulomb es muy grande. No lo sé exactamente, pero tal vez del orden de una carga por cada mil átomos más o menos una potencia de diez, aunque dependerá del tamaño y la naturaleza de la gota o partícula.

Con una eficiencia de ionización tan baja, ¿los propulsores coloidales tendrían alguna ventaja sobre los propulsores iónicos? ¿Sencillez tal vez? ¿Menor peso? ¿O mi comprensión de la tecnología es defectuosa? ¿Quizás los propulsores de electrospray y los propulsores coloidales no son lo mismo?

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Respuestas (1)

Una ventaja o desventaja significativa, según se mire, es el empuje minúsculo, mucho más bajo que en el caso de los motores iónicos clásicos.

Otra ventaja es que el proceso de electropulverización produce gotas ionizadas a partir de líquido sin necesidad de una plomería electromecánica bastante compleja que primero libera xenón de un tanque presurizado y luego ioniza la corriente. Esto permite la miniaturización (sin partes móviles, número reducido de partes) y asegura que el 100% del rociado esté cargado (y con una carga bastante constante): es el proceso de carga de la superficie del líquido lo que causa la separación, superando la tensión superficial , y el umbral de separación es bastante estable (por propelente), y un control rápido y fino sobre la velocidad del proceso.

Y como el consumo de energía, de manera similar a los motores iónicos, es proporcional al impulso específico y al flujo másico, con un flujo másico tan minúsculo, es bastante moderado.

Eso significa que los propulsores de electrospray no parecen ser posibles de escalar en rendimiento como, por ejemplo, VASIMR, ni permitirán cerca del mismo nivel de empuje, son compactos, permiten un control muy preciso (y sin pérdidas) de empuje (simplemente apaga los electrodos que causan el proceso de electropulverización y las gotas dejan de separarse), no ejercen mucha presión sobre la fuente de energía de la nave y, en efecto, son maravillosos propulsores RCS de extrema precisión.

Por lo tanto, los propulsores de electrospray no son una muy buena idea para la propulsión principal: podrían funcionar con nanosatélites en un apuro (considerando el tiempo de vida útil de la nave y la duración de la misión los hace bastante poco atractivos), son LA opción para el mantenimiento de la posición de constelaciones alineadas con ultra precisión. eLISA, el observatorio de ondas gravitacionales con una separación de 2,5 millones de km entre los satélites, mantendrá un par de milímetros, o una escala menor de imprecisión de posicionamiento de los satélites (el resto de la precisión requerida se logrará a través de la alineación mecánica de los sensores dentro de la nave - más fuera de necesidad de conservar el combustible RCS de electrospray que por la necesidad de una mejor precisión de alineación usando el RCS), pero otros proyectos propuestos involucran aceleradores de partículas que utilizan el vacío del espacio como medio del "corredor", o telescopios de distancia focal extrema, donde lentes o espejos separados están montados en satélites separados alineados con el camino óptico.

En resumen, son un tipo de animal completamente diferente a los propulsores de iones típicos: son los propulsores RCS ultraprecisos designados, y tratar de comparar su rendimiento con los motores principales dedicados es un esfuerzo equivocado que se centra en un conjunto de propiedades completamente incorrecto.

¡Gracias por la gran respuesta! Para empujes máximos iguales, los propulsores de iones probablemente tengan una excelente precisión similar, ¿verdad? Puede variar la corriente y/o el voltaje de aceleración (energía) continuamente o pulsarlos. Entonces, ¿la ventaja no es solo el peso? Para satélites más pequeños, ¿no serían los propulsores de iones de precisión simplemente más pesados ​​que los propulsores de electrospray?
@uhoh: Sin embargo, no puede variar el flujo de masa con tanta precisión para los propulsores de iones. Puede cambiar la cantidad de ionización/energía del xenón rápidamente, pero la cantidad de xenón que se inyecta no se controla tan fácil/rápidamente. Esto tiene pérdidas : no varía el flujo másico, varía el impulso específico (reduciéndolo por debajo del óptimo). Y sí, en cuanto al tamaño, estarías peor. Especialmente si desea proporcionar al menos 12 propulsores para todos los grados de libertad.
Vuelve a leer mi pregunta. Si los motores de electropulverización usan gotas, entonces cada carga acelerada "cuesta" cientos o miles de átomos, en comparación con un átomo para un propulsor de iones. ¿No dirías que esto es mucho más con pérdidas?
@uhoh: 1: ¿qué porcentaje de xenón escapa del motor sin ionizar? 2: el proceso de electropulverización es exactamente el efecto de "sobrecargar" el líquido: las gotas se dividen en otras más pequeñas hasta que pueden retener la carga; No pude encontrar el tamaño de las gotas, pero el flujo puede ser del orden de 10^12 partículas por minuto , por lo que las gotas probablemente estarán más cerca de docenas de átomos que de cientos de miles de ellos.
Esta es una respuesta sin fuentes, enlaces o números de apoyo. Las discusiones pueden durar para siempre en ausencia de hechos concretos, así que no voy a seguir por este camino otra vez. Los propulsores de iones producen plasmas mediante calentamiento electromagnético que requiere imanes y una potencia de RF significativa y, por lo tanto, enfriamiento, por lo que serán más pesados. Si no puede respaldar ninguna otra ventaja sobre los propulsores de iones además del peso, realmente no debería mencionarlas como ventajas .
@uhoh: siguiendo algunos datos de ejemplo, obtengo ~ 19 culombios por kilogramo de propulsor. Voltio por voltio, gramo por gramo, el impulso específico diferirá solo con la carga por unidad de masa propulsora. Todavía me gustaría ver cuánta carga recibe un kilogramo de xenón cuando se ioniza, aunque no puedo encontrar ninguna fuente para eso.
OK, es tarde aquí, pero miraré más mañana. Si la eficiencia de ionización del xenón+1 fuera del 100 %, sería de ~735 000 culombios/kg, y una eficiencia de ionización bastante alta para solo la primera ionización no es algo que sea difícil de obtener de las fuentes de iones modernas. Por eso me interesa tanto la distinción. ( 1000 ( gramo / k gramo ) × norte A ) / ( 131.3 × C o tu yo ) .
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