Una tecnología que podría impulsar misiones tripuladas a Marte y naves robóticas a través del sistema solar fue puesta a prueba recientemente en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, en el sur de California. El 24 de febrero, por primera vez en años y a niveles de potencia que superan cualquier prueba previa en Estados Unidos, un equipo encendió un propulsor electromagnético que funciona con vapor de litio metálico.
El prototipo alcanzó niveles de potencia más altos que los propulsores eléctricos de mayor potencia que opera actualmente cualquiera de las naves de la agencia. Los datos del primer encendido alimentarán una próxima serie de pruebas.
"En NASA trabajamos en muchas cosas a la vez y no hemos perdido de vista a Marte. El desempeño exitoso de nuestro propulsor en esta prueba demuestra un avance real hacia el objetivo de poner a un astronauta estadounidense en el Planeta Rojo", dijo el administrador de NASA, Jared Isaacman. "Esta es la primera vez en Estados Unidos que un sistema de propulsión eléctrica opera a niveles de potencia tan altos, llegando hasta los 120 kilowatts. Vamos a seguir haciendo inversiones estratégicas que nos lleven a ese próximo gran salto".
Durante cinco encendidos, el electrodo central de tungsteno alcanzó un blanco incandescente, sobrepasando los 5.000 grados Fahrenheit (2.800 grados Celsius). El trabajo se realizó en el Laboratorio de Propulsión Eléctrica de JPL, hogar de la cámara de vacío para propelentes metálicos condensables, una instalación nacional única que permite probar de forma segura propulsores eléctricos que usan vapores metálicos a potencias de hasta el rango de los megawatts.
La propulsión eléctrica utiliza hasta un 90% menos propelente que los cohetes químicos tradicionales de alto empuje. Los propulsores eléctricos actuales, como los que mueven la misión Psyche de NASA, usan energía solar para acelerar propelentes y entregan un empuje bajo pero continuo que alcanza altas velocidades con el tiempo. NASA JPL está probando un propulsor magnetoplasmadinámico (MPD) alimentado por litio, una tecnología investigada desde la década de 1960 pero que nunca ha volado operativamente. El motor MPD se diferencia de los actuales porque utiliza altas corrientes que interactúan con un campo magnético para acelerar electromagnéticamente el plasma de litio.
Durante la prueba, el equipo alcanzó niveles de potencia de hasta 120 kilowatts. Eso es más de 25 veces la potencia de los propulsores de Psyche, que actualmente operan los propulsores eléctricos de mayor potencia de cualquier nave de la NASA. En el vacío del espacio, la fuerza suave pero constante que entregan los propulsores de Psyche acelera la nave a 124.000 millas por hora con el correr del tiempo.
"Diseñar y construir estos propulsores en los últimos años ha sido una larga antesala para esta primera prueba", dijo James Polk, científico investigador senior de JPL. "Es un momento enorme para nosotros porque no solo demostramos que el propulsor funciona, sino que también alcanzamos los niveles de potencia que apuntábamos. Y sabemos que tenemos un buen banco de pruebas para empezar a abordar los desafíos de escalar".
Para observar la prueba, Polk miró por un pequeño portal hacia el interior de una cámara de vacío refrigerada por agua de 26 pies de largo (8 metros). Adentro, el propulsor cobró vida, con su electrodo exterior en forma de tobera incandescente mientras emitía un vibrante penacho rojo. Polk lleva décadas investigando los propulsores MPD alimentados por litio, habiendo trabajado en la misión Dawn de NASA y en Deep Space 1, la primera demostración de propulsión eléctrica más allá de la órbita terrestre.
Hacia el rango de los megawatts
El equipo aspira a alcanzar niveles de potencia de entre 500 kilowatts y 1 megawatt por propulsor en los próximos años. Como el hardware opera a temperaturas tan altas, demostrar que los componentes resisten el calor durante muchas horas de prueba será un desafío clave. Una misión humana a Marte podría necesitar entre 2 y 4 megawatts de potencia, lo que requeriría múltiples propulsores MPD operando por más de 23.000 horas.
Los propulsores MPD alimentados por litio tienen el potencial de operar a niveles de potencia altos, usar el propelente eficientemente y entregar un empuje significativamente mayor que los propulsores eléctricos en vuelo actualmente. Plenamente desarrollados y emparejados con una fuente de potencia nuclear, podrían reducir la masa de lanzamiento y sostener las cargas útiles necesarias para misiones humanas a Marte.
El trabajo en el propulsor MPD, en desarrollo durante los últimos dos años y medio, está liderado por JPL en colaboración con la Universidad de Princeton (Nueva Jersey) y el Centro de Investigación Glenn de NASA en Cleveland. Es financiado por el proyecto de Propulsión Nuclear Espacial de NASA, que en 2020 comenzó a apoyar un programa de propulsión eléctrica nuclear de clase megawatt para misiones humanas a Marte centrándose en cinco elementos tecnológicos críticos, de los cuales el subsistema de propulsión eléctrica es uno. El proyecto, basado en el Centro de Vuelo Espacial Marshall en Huntsville (Alabama), forma parte de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la agencia.
