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martes, 1 de junio de 2010

Los Cohetes de Plasma podrían Revolucionar Los Viajes Espaciales.



La sede de Ad Astra Rocket Co. no llama la atención, al menos hasta que se ingrese a su interior.

Dentro de un desprevenido almacén en los suburbios de Houston, escondido detrás de un centro comercial de la esquina, un equipo de ingenieros y físicos de élite emprendedor está ocupado desarrollando un cohete de plasma de alta tecnología diseñado para llevar a la humanidad a las estrellas.

Fundada en 2005, la compañía lleva a cabo la mayor parte de su labor a pocos minutos del Centro Espacial Johnson, la casa de Control de Misión.

El proyecto principal de la compañía es el Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable-Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, o VASIMR, un motor espacial de alta eficiencia que se mueve por la electricidad y el gas argón en vez de los propulsantes convencionales sólidos o líquidos.

Franklin Chang-Díaz, arquitecto jefe del proyecto, dice que el motor VASIMR, el sistema de propulsión eléctrica de mas alta energía de cualquier parte del mundo está listo para el vuelo.

"Es una tecnología de transformación que estamos desarrollando", dijo Chang-Díaz. "Siempre ha sido mi punto de vista que el enfoque químico para el transporte espacial en verdad no nos va a llevar muy lejos."


El motor en tierra VASIMR se enciende durante la prueba en mayo. Crédito: Stephen Clark / Spaceflight Now






Los motores cohete químicos requieren que la nave espacial lleve todo su propulsante durante su misión. El motor VASIMR quema pequeñas cantidades de gas argón, uno de los elementos más estables de la tabla periódica. Pero una de las características más revolucionarias del diseño del VASIMR es su dependencia de la electricidad, un recurso renovable en el espacio.

"Es muy robusto, pero con el fin de ir más allá de la luna, y pasar a Marte y más allá, realmente necesitamos completamente de una nueva tecnología de transporte", dijo Chang-Díaz. "Vemos al VASIMR como el caballo de batalla para esa infraestructura de transporte".

Los cohetes de plasma movidos eléctricamente podrían reducir los tiempos de viaje para las misiones en todo el sistema solar. Uno de los conceptos defendidos por Chang-Díaz consiste en una misión de 39 días a Marte, pero asume saltos en la producción de energía nuclear en el espacio.

Originalmente financiado por la NASA, el proyecto VASIMR ha pasado de la mesa de dibujo a la realidad desde que la investigación de cohetes de plasma fue privatizada en 2005. Dentro de los laboratorios de Ad Astra en Houston y Costa Rica, los diseñadores de cohetes han impulsado el motor VASIMR más cerca al vuelo.

"En cinco años, hemos hecho algunos saltos muy grandes, en términos de capacidad de potencia y la eficiencia de la fuente de plasma", dijo Tim Glover, director de desarrollo de Ad Astra.

La NASA mide las nuevas tecnologías en una escala de disposición 1 a 10.

"Cuando la tecnología esté lista para volar es cuando llegas a un nivel 6", dijo Chang-Díaz. "Nivel 7 es el vuelo real."

El motor VASIMR ya está en el nivel 6, de acuerdo con Chang-Díaz, quien ha trabajado en la tecnología del cohete de plasma desde la década de 1970.

"Siempre sentí que había una manera de utilizar que el plasma de alta temperatura para desarrollar un motor cohete que podría ir mucho más rápido que los cohetes que tenemos hoy", dijo Chang-Díaz

Pero Chang-Díaz fue desviado por una segunda carrera como astronauta después de su selección por la NASA en 1980. A los 60-años de edad, es uno de los dos viajeros espaciales en completar siete misiones en la frontera final.



En medio del entrenamiento para las misiones del Transbordador Espacial, Chang-Díaz encabezó la primera investigación del plasma en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y luego en el Centro Espacial Johnson de la NASA.

Pero la NASA decidió cancelar la investigación de propulsión avanzada para pagar por el programa Constellation y llevar de nuevo humanos a la luna, obligando que el trabajo se fuera para el sector privado en 2005.

"Frente a tales posibilidades nefastas en nuestro proyecto, le propuse a la NASA que lo privatizaramos", dijo Chang-Díaz. "Para mi asombro, acordaron que sería una buena idea. Así es como Ad Astra Rocket Co. nació, de un acuerdo de privatización con la NASA, donde el laboratorio que solía conducir se transformó en una entidad privada."

Chang-Díaz aseguró inversiones de los Estados Unidos, Europa y su país natal, Costa Rica sumando varias decenas de millones de dólares, una cifra que él dice que es diez veces más que el que la NASA jamás ha gastado en el proyecto. La compañía emplea actualmente a alrededor de 40 trabajadores en Houston y Costa Rica.




La afluencia de fondos ha impulsado el motor VASIMR de un nivel 2 de preparación a un nivel 6 desde que el laboratorio fue privatizado.

"Eso ocurrió en cinco años, y sólo tenemos 0 a 2 en 25 años", dijo Chang-Díaz. "Ha sido un avance muy drástico en los últimos cinco años. Eso es lo que sucede cuando usted tiene dinero".


Pero la propuesta de la administración de Obama de cancelar el Programa Constellation y reorientar la NASA en la consolidación de nuevas tecnologías para la exploración del sistema solar ha puesto VASIMR en el candelero.


"El presidente Obama ha decidido que la NASA necesita regresar a sus raíces y seguir financiando proyectos de tecnología avanzada", dijo Chang-Díaz. "Casi hemos completado el círculo, y nos encontramos en el punto donde la NASA está interesada de nuevo."



Un diagrama del motor VASIMR. De derecha a izquierda, el gas argón se inyecta en el motor, el gas es ionizado en la primera etapa del motor, sobrecalentado "en la segunda etapa, a continuación, es dirigido a través de la boquilla por imanes superconductores. Crédito: NASA


Y la amistad acogedora Chang-Díaz con Charles Bolden jefe de la NASA no hace daño tampoco, dijo Glover.

Chang-Díaz voló con Bolden en dos vuelos del transbordador y siguen siendo amigos cercanos en la actualidad.

"Charlie y yo somos muy buenos amigos", dijo Chang-Díaz. "Creo que él tiene el enfoque correcto en unir a las personas. Ciertamente tiene la personalidad adecuada y el nivel adecuado de conocimientos técnicos."

Bolden ha citado al VASIMR como un ejemplo de las nuevas tecnologías que la NASA debería tomar.

"Una cosa que ayudará será la de dejar que alguien como el Dr. Franklin Chang-Díaz o alguien que esté estudiando los motores de iones nos ayudará a desarrollar un juego de cambio de motor interplanetario que reducirá el tiempo de ir a Marte a la mitad", dijo Bolden en una conferencia de prensa a principios de este año.

Funcionarios de Ad Astra dicen que ellos reciben con satisfacción el interés de la NASA en el proyecto, pero insisten en continuar el desarrollo del motor en el sector privado.

"No quiero poner a la NASA en la ruta crítica, porque nunca sabes lo que va a pasar con la NASA", dijo Chang-Díaz. "No me parece muy fiable en este momento."

Ad Astra está probando actualmente una versión terrestre en dos fases del motor VASIMR dentro de una cámara de vacío en Houston. El motor de 200 kilovatios, llamado el VX-200, no se parece en nada a un motor cohete convencional. El motor carece de cámara de combustión que se encuentra en los impulsores contemporáneos.

La empresa probó con éxito el motor en tierra para su estándar de diseño de 200 kilovatios a finales de 2009, pero los niveles de potencia sólo se lograron en explosiones de corta duración sólo en una fracción de segundo.


Los ingenieros planean realizar más pruebas del VX-200 para llevar a cabo finalmente encendidos prolongados.

Las pruebas en tierra hasta ahora se han basado en bobinas superconductoras a baja temperatura, pero en demostraciones más ambiciosas en el espacio se utilizarán materiales más duraderos capaces de resistir temperaturas mucho más altas y encendidos de duración mas larga.

"La cinta superconductora de alta temperatura es una tecnología que nos lo permite", dijo Glover.

El plasma dentro del motor VASIMR se ve forzado por las bobinas de gran poder de un imán superconductor, un avance tecnológico clave que se une al motor en conjunto al acelerar el plasma extremadamente caliente para producir la fuerza de propulsión.

El combustible argón del motor primero pasa a través de la primera etapa del ensamble, donde se ioniza el gas tan pronto como los electrones son arrancados de los átomos de argón. La primera etapa, llamada también la sección helicón, calienta el gas a unos 10.000 grados Kelvin, o 17.540 grados Fahrenheit, dijo Jared Squire, director de investigación de Ad Astra.

"Es lo mismo que se hace en una máquina de vapor, en donde primero se hierve el agua para producir vapor", dijo Squire. "Estás calentando el gas, y ahí es donde el plasma se forma."

En la segunda etapa del motor VASIMR se aplica más potencia electromagnética al plasma en un proceso llamado calentamiento ciclotrón. El plasma se desprende de la tobera del motor a más de 110.000 millas por hora. Los gases de escape pueden alcanzar temperaturas de hasta 1,8 millones de grados Fahrenheit, según Squire.

Los funcionarios planean resolver los problemas en la tecnología de los motores antes de iniciar el viaje a la Estación Espacial Internacional en el 2014 para una demostración en órbita. Glover dijo que en las pruebas en la estación se usarán dos motores que funcionan a 100 kilovatios.

El paquete del motor de 10.000 libras será lanzado en uno de los cargueros comerciales que está siendo desarrollado por SpaceX y Orbital Sciences.



Un concepto inicial de el motor VASIMR en la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA


La oportunidad del VASIMR de volar a la estación espacial llegó a través del Acuerdo del Acta Espacial firmado con la NASA en 2008. El contrato, que no incluye un intercambio de fondos, establece que Ad Astra y la NASA deben pasar por cinco etapas antes del vuelo de prueba.

Las partes ya han completado un acuerdo de integración de carga útil, y el siguiente paso será revisar el diseño preliminar del motor VASIMR en 2011.

Ad Astra espera que el motor VASIMR se podría utilizar para reimpulsar la estación espacial después de que complete sus objetivos de demostración.

"Si la ISS es realmente extendida hasta la década del 2020, entonces, los socios internacionales podrían estar de acuerdo que les gustaría hacer uso de la reimpulsión usando propulsión eléctrica", dijo Glover. "Es probable que tendría que esperar hasta que los actuales acuerdos para hacer reimpulsión con [Europa y Rusia] se terminen, entonces se podría decir que Ad Astra ya ha demostrado este sistema en la ISS. ¿Por qué no tenemos en cuenta cuánto dinero podría ahorrarse al mover a esta de nuevo y su uso en reimpulsión? "

Glover dijo que tal medida le ahorraría al programa de la estación $ 200 millones de dólares y 7 toneladas de propulsante al año. Ese dinero podría ser desviados para otros experimentos científicos a bordo del complejo.

Pero Ad Astra ha fijado su mirada aún mayor que la órbita de la Tierra. La compañía cree que el VASIMR hará que los viajes a Marte y a los asteroides sean una realidad.

Lo que pasa es que esos lugares son los nuevos destinos para los planes de la exploración humana de la NASA, que pasaría por alto la luna, por ahora.

"Tenemos que llegar a Marte rápido", dijo Chang-Díaz. "No puede tomar seis o siete, u ocho meses para llegar a Marte. Eso es sólo buscar problemas."

Igualmente si los cohetes químicos pueden llevar a los seres humanos a Marte, el programa será insostenible a causa de un largo viaje y el alto coste, de acuerdo con Chang-Díaz.

"Estos motores que estamos desarrollando son inherentemente motores de alta potencia. No se trata de propulsores pequeños, estos son motores muy potentes, que puede consumir hasta decenas de megavatios", dijo Chang-Díaz.



Los motores de la clase de megavatios se requerirán para cualquier presencia sustancial en el sistema solar. El motor de 200 kilovatios, actualmente en desarrollo es el más adecuado para el trabajo en la órbita terrestre o en grupos multi-motor.



Pero si es posible un viaje tripulado a Marte de 39 días? Ad Astra dice que sí, con salvedades. Se requeriría grandes avances en la energía nuclear y un punto de partida en alguna parte alta de la Tierra.



Concepto de Ad Astra para una nave espacial impulsada por VASIMR en el camino a Marte. Crédito: Ad Astra.




"El barco para una misión de 39 días a Marte no es muy diferente al de un jet jumbo 747, en términos de potencia", dijo Chang-Díaz. "Cuando oyen que queremos utilizar un barco de 200 megavatios para ir a Marte, la gente encoge y retuercen las manos, y dicen: ¿cómo se va a conseguir tanta energía?"

La tecnología actual no puede producir suficiente electricidad en el espacio para controlar varios motores de alta potencia de la clase de megavatios por semanas a la vez.

"Para eso se necesita una fuente de alimentación muy ligera,de alrededor de 1 kilogramo por kilovatio, que es probablemente en última instancia factible", dijo Glover.

Según Glover, la medida más importante para la eficiencia de los motores de plasma es la relación peso-potencia, o el número de kilogramos necesarios para generar un kilovatio de electricidad.

Los paneles solares planos hoy en día tienen una relación de cerca de 20 kilogramos, o 44 libras, por cada kilovatio de energía que producen. Las mejores reactores nucleares diseñados para el vuelo espacial tiene un peso específico de unos 45 kilogramos, o casi 100 libras.

El Pentágono y Boeing Co. están desarrollando una serie de paneles solares de última generación destinadas a alcanzar una relación peso-potencia de 7 kilogramos por kilovatio, de acuerdo con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de la Agencia.

Los Ingenieros predicen que los generadores de energía nucleares alcanzarán una eficiencia de unos cuantos kilogramos por kilovatio en un par de décadas.

Aunque los viajes de 39 días a Marte son todavía un sueño lejano, los funcionarios de Ad Astra confían en que el tiempo de viaje para misiones mas pequeñas se pueden cortar en más de la mitad a mediados de la década del 2020 con avances inminentes en la tecnología de paneles solares.

"Aunque la tecnología solar es muy impresionante y se puede utilizar para hacer algunas demostraciones de tecnología pronto, no nos va a llevar muy lejos. En última instancia, se necesita tener energía nuclear si desea hacer grandes cosas por ahí."