Los motores iónicos y los propulsores de efecto Hall aceleran xenón a 30–80 km/s y funcionan durante años. Cómo funciona la propulsión eléctrica, por qué no puede lanzar desde la Tierra, y cómo Dawn, Hayabusa2 y BepiColombo redefinieron lo que pueden hacer las naves pequeñas.
NASA/JPL-Caltech — Prueba de encendido de la propulsión iónica de la nave Dawn en el JPL
El escape de un cohete químico sale a aproximadamente 3–4,5 km/s. El escape de un motor iónico sale a 20–80 km/s. Esa diferencia —un factor de 10 a 20 en velocidad de escape— es todo el argumento a favor de la propulsión eléctrica, expresado en una sola comparación.
El impulso específico (Isp), la medida estándar de la eficiencia del propelente, es proporcional a la velocidad de escape. Un motor de Isp alto extrae mucho más cambio de velocidad de cada kilogramo de propelente que consume. La consecuencia, a través de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky, es que una nave con un motor iónico puede lograr un delta-v total mucho mayor a partir de una masa de propelente dada que cualquier cohete químico —o, de forma equivalente, puede alcanzar el mismo destino cargando mucho menos propelente y mucha más carga útil.
La trampa es el empuje. Los motores iónicos producen de milinewtons a unos pocos newtons de fuerza. Los cohetes químicos producen meganewtons. Los motores iónicos no pueden luchar contra la gravedad terrestre; no pueden lanzar una nave ni ejecutar maniobras orbitales rápidas. Pero en el vacío entre planetas, con meses o años de funcionamiento continuo, el cambio de velocidad acumulado que entregan es extraordinario.
Parámetros clave
| Parámetro | Iónico de rejillas (NSTAR) | Propulsor Hall (SPT-100) |
|---|---|---|
| Impulso específico (Isp) | ~3.100 s | ~1.600 s |
| Empuje | 92 mN | 83 mN |
| Potencia | 2,3 kW | 1,35 kW |
| Propelente | Xenón | Xenón |
| Velocidad de escape | ~30–40 km/s | ~15–20 km/s |
Cómo Funcionan los Motores Iónicos
Un motor iónico opera ionizando un gas propelente —típicamente xenón, elegido por su alta masa atómica, inercia química y almacenamiento conveniente a temperatura ambiente— y luego acelerando los iones resultantes a través de un campo eléctrico.
En un motor iónico de rejillas (el tipo usado en la nave Dawn de la NASA), el xenón se introduce en una cámara de ionización donde el bombardeo de electrones despoja a cada átomo de un electrón, creando un ion Xe⁺. Los iones son entonces atraídos hacia un par de rejillas cargadas eléctricamente. La rejilla interior (la rejilla de pantalla) está a un voltaje positivo alto, típicamente de 1.000–1.500 voltios. La rejilla exterior (la rejilla aceleradora) está a unos cientos de voltios negativos. El campo eléctrico entre las rejillas acelera cada ion hasta velocidades de escape de 30–40 km/s. Un cátodo neutralizador rocía electrones en el escape para evitar que la nave acumule una carga neta que decelere a los iones salientes.
El resultado es un escape tenue de color blanco azulado —el resplandor visible del plasma de xenón— y una fuerza de empuje que no podría levantar una hoja de papel en la superficie terrestre, pero que, a lo largo de tres años de funcionamiento continuo, puede cambiar la velocidad de una nave en más de 11 km/s.
Propulsores de Efecto Hall: La Arquitectura Alternativa
Los propulsores Hall, desarrollados extensamente por ingenieros soviéticos desde la década de 1960 y hoy la tecnología de propulsión eléctrica dominante en las operaciones comerciales de satélites, usan un mecanismo de aceleración de iones diferente. En lugar de rejillas electrostáticas, atrapan electrones en un campo magnético (el efecto Hall), y usan estos electrones atrapados para ionizar el propelente y acelerar los iones a través de un potencial eléctrico mantenido entre un ánodo en la parte posterior del propulsor y el límite del plasma en la salida.
Los propulsores Hall operan a un impulso específico menor que los motores iónicos de rejillas (típicamente 1.500–2.000 s frente a 3.000–10.000 s en los motores de rejillas), pero producen una mayor densidad de empuje y son mecánicamente más simples —sin rejillas propensas a la erosión. Estas propiedades los convierten en el propulsor preferido para el mantenimiento de posición en satélites GEO y, cada vez más, para la elevación de órbita en grandes satélites comerciales, reduciendo la cantidad de propelente químico que hay que lanzar.
El SPT-100, desarrollado por Fakel en Rusia en la década de 1970, se convirtió en el propulsor Hall estándar de la industria de satélites soviética/rusa y fue ampliamente licenciado a nivel internacional. Más de 250 unidades de SPT-100 habían volado para 2020. SpaceX usa una variante personalizada de propulsor Hall en sus satélites Starlink para el mantenimiento orbital y el descarte. El Alphasat de la ESA llevaba un propulsor Hall Snecma PPS-5000 capaz de 250 mN de empuje —en su momento, el propulsor Hall más potente que había volado en Europa.
Dawn: La Misión que Demostró la Tecnología
La misión Dawn de la NASA, lanzada en 2007 y gestionada por Marc Rayman en el JPL, fue la primera nave en orbitar dos cuerpos extraterrestres de forma sucesiva —el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres— y lo logró enteramente gracias a la propulsión iónica.
Los tres motores iónicos de rejillas NSTAR de Dawn (un desarrollo de la tecnología probada en el demostrador tecnológico Deep Space 1 en 1998) operaban con propelente de xenón. A lo largo de los diez años de la misión, Dawn acumuló 5,9 km/s de delta-v solo con sus motores iónicos, además del delta-v proporcionado por su lanzador y una asistencia gravitacional de Marte. El delta-v total de la propulsión iónica superó en un factor de aproximadamente 10 lo que cualquier cohete químico de masa equivalente podría haber proporcionado.
El motor NSTAR opera con un consumo de potencia de 2,3 kW, produciendo 92 mN de empuje y un impulso específico de ~3.100 s. Funcionar continuamente durante meses es normal —los motores se regulaban en lugar de apagarse durante el crucero en el espacio profundo, con interrupciones solo para seguimiento de navegación y ventanas de mantenimiento programadas.
Cuando Dawn llegó a Vesta en 2011, pasó 14 meses en órbita, cartografiando la superficie en detalle, antes de propulsarse con sus motores iónicos fuera del pozo gravitacional de Vesta y hacia Ceres. Ningún sistema de propulsión química podría haber logrado esta flexibilidad orbital con esa masa de nave. Sin motores iónicos, la arquitectura de la misión habría requerido naves separadas para cada cuerpo.
Hayabusa y la Revolución del Retorno de Muestras
Las misiones Hayabusa de JAXA demostraron algo igualmente significativo: que la propulsión eléctrica permite el retorno de muestras desde cuerpos pequeños a un coste de misión modesto.
Hayabusa (2003–2010) usó cuatro motores iónicos μ10 de Mitsubishi Electric, cada uno produciendo 8 mN de empuje, para viajar hasta el asteroide cercano a la Tierra Itokawa, descender dos veces (con dificultad —el mecanismo de muestreo de superficie falló parcialmente), y devolver a la Tierra una cápsula que contenía aproximadamente 1.500 granos microscópicos de material asteroidal. Los motores iónicos acumularon 31.000 horas de funcionamiento. La trayectoria requirió múltiples asistencias gravitacionales terrestres y años de empuje iónico paciente.
Hayabusa2 (2014–2020) repitió y mejoró el concepto en el asteroide Ryugu, desplegando con éxito impactadores para exponer material subsuperficial, recolectando muestras tanto de la superficie como del subsuelo, y devolviendo 5,4 gramos de material asteroidal carbonáceo prístino —entre el material extraterrestre científicamente más valioso recolectado desde las muestras del Apolo. La misión costó aproximadamente 30.000 millones de yenes (~200 millones de euros), un coste modesto para los estándares de las misiones al sistema solar exterior.
El OSIRIS-REx (ahora OSIRIS-APEX) de la NASA, que devolvió 121 gramos de material de Bennu en septiembre de 2023, usa un enfoque diferente —propulsores monopropelentes de hidrazina en lugar de motores iónicos— pero el linaje de Hayabusa estableció la clase de misión de retorno de muestras desde cuerpos pequeños como algo rutinario.
BepiColombo: Propulsión Iónica hacia Mercurio
La misión europeo-japonesa BepiColombo a Mercurio, lanzada en 2018 y con llegada a Mercurio en 2026, ofrece la demostración más exigente de propulsión iónica en el sistema solar interior.
Mercurio es termodinámicamente difícil de alcanzar. A diferencia de los planetas exteriores, donde las asistencias gravitacionales de Júpiter o Saturno pueden proporcionar grandes ganancias de velocidad, alcanzar Mercurio requiere desprenderse de momento angular respecto al Sol —frenar, no acelerar. Una trayectoria química directa a Mercurio requiere un delta-v enorme. BepiColombo usa cuatro propulsores iónicos QinetiQ T6, cada uno operando a 145 mN de empuje y ~4.500 s de impulso específico, combinados con múltiples asistencias gravitacionales (una de la Tierra, dos de Venus, seis sobrevuelos de Mercurio) para trazar una trayectoria que sería imposible solo con propulsión química para la masa de lanzamiento de la misión de 4.000 kg.
Los propulsores T6 funcionan a 6,9 kW cada uno, alimentados por los paneles solares de BepiColombo —que a la distancia de Mercurio respecto al Sol reciben aproximadamente seis veces la irradiancia solar de la Tierra, compensando las pérdidas de eficiencia por operar en condiciones de mayor temperatura.
Potencia: La Restricción Fundamental
Los sistemas de propulsión iónica están, en última instancia, limitados por la potencia eléctrica disponible. El empuje es proporcional a la potencia de entrada. En el sistema solar interior, los paneles solares son eficaces; a 1 UA, un panel solar de 10 kW es fácilmente alcanzable con una masa razonable. A la distancia de Júpiter, la irradiancia solar cae al 3,7% del valor terrestre —10 kW requieren un panel 27 veces más grande. En Saturno, cae al 1,1%.
Por eso las misiones al sistema solar exterior profundo —Europa Clipper, Dragonfly (Titán), Cassini— usan fuentes de energía nuclear (RTG o reactores de fisión) en lugar de propulsión eléctrica. La NASA y DARPA están desarrollando activamente el programa DRACO (Demostración de Cohete para Operaciones Cislunares Ágiles) para demostrar un motor térmico nuclear, que combina el calor de un reactor nuclear con propelente de hidrógeno para lograr un Isp de ~800–900 s —muy por debajo de los motores iónicos, pero con niveles de empuje cercanos a los cohetes químicos.
A corto plazo, la propulsión iónica y los propulsores Hall continuarán su expansión hacia las operaciones comerciales de satélites, las misiones pequeñas de espacio profundo y el retorno de muestras. La tecnología que produjo un tenue resplandor azul en una cámara de pruebas del JPL en la década de 1960 se ha convertido en equipo estándar de los exploradores robóticos más capaces que la humanidad ha construido jamás.
Para las matemáticas de trayectoria que determinan hacia dónde deben apuntar estos motores, ver delta-v y mecánica orbital.