Es posible que necesitemos sistemas de energía solar para viajar eficientemente a Marte

Es posible que necesitemos sistemas de energía solar para viajar eficientemente a Marte

Necesitamos sistemas de energía solar para viajar eficientemente a Marte

Impresión artística de un sistema de energía solar. Crédito: NASA

Hay muchas maneras de llegar a Marte, pero siempre hay compensaciones. La propulsión química, que está demostrando ser extremadamente popular, podría llevar naves espaciales al Planeta Rojo rápidamente. Pero el costo de traer su combustible es alto, lo que aumenta el costo total de la misión. Las tecnologías de propulsión alternativas están ganando terreno en varias aplicaciones del espacio profundo. Ahora, un equipo de científicos españoles ha realizado un estudio preliminar de lo que haría falta para enviar una sonda a Marte utilizando propulsión puramente eléctrica tras abandonar la Tierra.

Los sistemas de propulsión eléctrica tienen varias ventajas sobre los cohetes químicos. Si bien no pueden escalar lo suficiente como para poner en órbita algo pesado una vez en el espacio, son excepcionalmente capaces de mover cargas útiles a donde necesitan ir. Mientras que un cohete químico típico necesita utilizar entre el 70% y el 90% de su masa de lanzamiento como combustible, un sistema de propulsión eléctrica puede obtener sólo entre el 10% y el 40% de su masa de lanzamiento como combustible.

Los negocios por hacer están bajo presión. Los sistemas de propulsión eléctrica suelen tener empujes al menos cuatro órdenes de magnitud más pequeños que los generados por cohetes químicos. Mientras tanto, en el espacio, una consecuencia importante es que los sistemas de propulsión eléctrica son mucho más lentos. Pero esto puede no ser de mucha preocupación para las operaciones no tripuladas.

Hasta ahora, nadie se había tomado el tiempo de considerar la diferencia entre una misión a Marte impulsada por electricidad y una propulsión química. Las sondas más cercanas están diseñadas para visitar las lunas marcianas (Fobos y Deimos), que dependen exclusivamente de la propulsión eléctrica. En ese estudio, los investigadores descubrieron que la opción de propulsión química requería 2,5 veces más masa que la opción de propulsión eléctrica. Eso reduciría significativamente el costo total de la misión.

En este nuevo estudio, publicado Acta Astronáutica, los investigadores se centraron en trayectorias que colocarían una nave espacial de 2.000 kg en una órbita polar de entre 300 y 1.000 km alrededor de Marte. Se eligió el límite de peso de 2.000 kg porque el paquete contenía paquetes científicos similares al orbitador ExoMars en el que trabajaba la ESA.

Con esas limitaciones de la misión, los investigadores consideraron varios tipos de sistemas de propulsión eléctrica. Vinieron con un requisito adicional: debe funcionar dentro del rango de presión superior a muchos sistemas de propulsión eléctrica. Un empuje de 0,1 N es el mínimo necesario para entrar con éxito en la órbita de Marte.

Esta limitación llevó a la selección del BHT-6000 como sistema de propulsión principal de la misión. Se trata de un propulsor de efecto Hall que opera entre 2 kW y 6 kW de potencia y puede utilizar propulsores eléctricos relativamente comunes como el xenón y el criptón. Con esta elección de propulsión, es hora de pasar a la actividad favorita de todo astrónomo: el modelado.

Los investigadores utilizaron un modelo de múltiples cuerpos para mapear la influencia gravitacional de la trayectoria elegida. Luego, realizaron simulaciones operativas con un propulsor químico estándar y BHT-6000. Lo que encontraron parece estar en línea con las expectativas comunes sobre las ventajas de la propulsión eléctrica.

En términos de velocidad, el cohete químico era rápido, pero no demasiado. Un cohete químico puede realizar el viaje en menos de un año, mientras que una misión propulsada por un BHT-6000 tarda unos 3,2 años desde su lanzamiento. Sin embargo, el peso de un sistema de propulsión químico es 2,4 veces mayor que el de un sistema de propulsión eléctrico. Incluso con un coste de lanzamiento relativamente conservador de 10.000 dólares/kg, el ahorro de costes de un sistema de propulsión eléctrica respecto de una alternativa química es de unos 30 millones de dólares. A costa de unos años más de viaje para conseguir una misión en la estación.

Es una compensación que muchas agencias de exploración espacial pagarán gustosamente debido a sus presupuestos limitados. Pero, hasta ahora, esto es sólo un prototipo porque cualquier misión planificada al espacio profundo utilizará este método de propulsión eléctrica como su sistema de propulsión principal, aunque algunas misiones al espacio profundo como la Hayabusa-2 ya lo han hecho. A medida que avanza la tecnología, es cada vez más probable que se realicen futuras misiones al espacio profundo, especialmente no tripuladas, a Marte.

Más información:
Marco Casanova-Alvarez et al., Estudio de viabilidad de una misión de propulsión eléctrica solar a Marte, Acta Astronáutica (2024) DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.01.001

Proporcionado por Universe Today

referencia: Los sistemas de propulsión eléctrica solar son lo que necesitamos para viajar eficientemente a Marte (2024, 12 de enero) Consultado el 13 de enero de 2024 en https://phys.org/news/2024-01-solar-electric-propulsion-efficiency-mars.html

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