Vaya más rápido, más lejos y de manera más eficiente.
Ese es el objetivo que impulsa a los ingenieros de propulsión de naves espaciales como Chen Cui, un nuevo profesor asistente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia. Cui está explorando formas de mejorar los propulsores de propulsión eléctrica, una tecnología clave para futuras misiones espaciales.
“Para garantizar que la tecnología siga siendo viable para misiones de larga duración, necesitamos optimizar la integración de EP con los sistemas de naves espaciales”, dijo Cui.
En colaboración con su ex asesor, el profesor Joseph Wang de la Universidad del Sur de California, Cui publicó los resultados el mes pasado. Ciencia y tecnología de fuentes de plasma Esto proporciona nuevos conocimientos sobre el comportamiento dinámico de los electrones en los haces de plasma, revelando posiblemente la “forma” de los objetos entrantes.
El futuro de la exploración espacial
Cui, que se unió al Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en otoño, centra su investigación en comprender cómo se comportan los electrones (partículas cargadas diminutas y de rápido movimiento) en los haces de plasma emitidos por los propulsores EP.
“Estas partículas pueden ser pequeñas, pero su movimiento y energía juegan un papel importante en la determinación de la dinámica macroscópica del penacho emitido por el propulsor de propulsión eléctrica”, dijo.
Al estudiar estas interacciones microscópicas, Cui pretende comprender mejor cómo interactúa el plasma expulsado con las naves espaciales.
La electroforesis funciona utilizando un gas neutro, generalmente xenón, y luego un campo eléctrico para acelerar los iones resultantes. Los iones, que ahora forman un haz de plasma de alta velocidad, empujan la nave hacia adelante.
En comparación con los cohetes químicos, los sistemas EP ahorran mucho más combustible, lo que permite a las naves espaciales llegar más lejos con menos combustible. Estos sistemas suelen funcionar con paneles solares o pequeños reactores nucleares, lo que los hace ideales para misiones más largas al espacio, como el programa Artemis de la NASA, cuyo objetivo es devolver humanos a la Luna y eventualmente enviar astronautas a Marte y más allá.
Sin embargo, la columna de humo emitida por un propulsor no es sólo un escape: es el sustento de todo el sistema de propulsión. Si no se comprenden bien, las columnas de humo pueden causar problemas inesperados. Algunas de las partículas pueden retroceder hacia la nave espacial, dañando potencialmente componentes críticos de la nave, como paneles solares o antenas de comunicaciones.
“Para misiones que pueden durar varios años, los propulsores EP deben funcionar sin problemas y de manera consistente durante un largo período de tiempo”, dijo Cui. Esto significa que los científicos e ingenieros deben tener un conocimiento profundo de cómo se comporta la columna de plasma para evitar posibles daños.
Lo que encontró el estudio
Cui se especializa en desarrollar simulaciones por computadora avanzadas para estudiar cómo se comporta el plasma en los flujos de plasma del propulsor EP. Estas no son sólo simulaciones. Funcionan con supercomputadoras modernas y utilizan un método llamado simulación Vlasov, un método de cálculo avanzado “libre de ruido”.
Los electrones en un haz EP no se comportan exactamente como lo predicen modelos simples. Se comportan de manera diferente a diferentes temperaturas y velocidades, creando patrones distintos.
Al tener en cuenta los datos que confunden el panorama general, es importante poder ver con precisión la complejidad de las interacciones de los electrones.
“Los electrones se parecen mucho a canicas empaquetadas en un tubo”, dijo Cui. “Dentro del haz, los electrones se calientan y se mueven más rápido. Si te mueves en la dirección del haz, su temperatura no cambia mucho. Sin embargo, si la ‘canica’ sale del centro del tubo, comienzan a enfriarse. Este enfriamiento Ocurre más en ciertas direcciones, la dirección perpendicular a la dirección del haz.”
En su artículo más reciente, descubrieron que la distribución de la velocidad de los electrones muestra una forma casi maxwelliana (en forma de curva de campana) en la dirección del haz, y lo que describen como un perfil de “sombrero de copa” en la dirección transversal del haz. la viga.
Además, Cui y Wang descubrieron que el flujo de calor de los electrones (la principal forma en que la energía térmica se mueve a través del haz de plasma EP) se produce principalmente a lo largo de la dirección del haz, una dinámica única que no se captura completamente en modelos anteriores.