Motores iónicos de efecto Hall

El plasma, es considerado el cuarto estado de la materia, y está formado por un gas ionizado en el que se encuentran electrones libres, es decir, electrones que no están ligados a ningún átomo e iones. Estos iones son átomos o moléculas con carga neta positiva por la pérdida de uno o más electrones.

La conductividad eléctrica del plasma es muy elevada, y ello se debe a la presencia de cargas eléctricas libres (los iones y los electrones), que se ven afectadas cuando se encuentran dentro de un campo electromagnético.

El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor, por el que circula una corriente, cuando éste es atravesado perpendicularmente por las lineas de un campo magnético. Este campo eléctrico es perpendicular al plano formado por la corriente eléctrica y las lineas del campo magnético. Este efecto fue descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Herbert Hall.

A comienzos de los años 60 se diseñaron motores iónicos de efecto Hall tanto en la URS como en Estados Unidos. El científico ruso A. I. Morozov perfeccionó el modelo de motor estacionario de plasma (SPT). A partir de la década del 70 los rusos han enviado al espacio, a bordo de sus satélites, más de 100 motores iónicos de efecto Hall.

En los motores iónicos de efecto Hall se utiliza un campo electroestático para acelerar los iones que forman parte del flujo de gas que sale de la cavidad del motor. Este campo electroestático se forma por la acción de unos poderosos electroimanes sobre el flujo de plasma (Efecto Hall).

En este tipo de motores se utiliza como propelente un gas de alta densidad como el xenón. El gas se introduce en la cámara a través de unos orificios situados en el ánodo anular.

Los electrones que se encuentran en la cámara afectados por el campo magnético y el efecto Hall se ven impulsados por éste, girando en torno a las lineas de fuerza del campo magnético y describiendo un torbellino anular. Este flujo anular de electrones tiene dos efectos. Por una parte, al chocar con los átomos de gas xenón les ioniza. Por otra parte, forman un cátodo virtual que acelera el flujo de propelente ionizado.

A la salida de la cámara un inyector de electrones neutraliza el flujo de plasma para impedir que, debido a la carga positiva que tendría sin los electrones, retroceda de nuevo atraido por la carga negativa del cuerpo del motor.

A la salida del motor la velocidad del plasma varia desde 15 a 25 Km/s.

Varias son las empresas que fabrican motores iónicos de efecto Hall, entre estas se encuentran la rusa Fakel, la norteamericana Busek y la francesa SNECMA.

La empresa estadounidense Busek lleva 12 años desarrollando motores iónicos de efecto Hall. Estos motores tienen potencias que van desde los 200 W hasta los 20 kW, consiguiendo empujes desde 5 mN hasta 1 N, e impulsos específicos que varían entre 1.000 y 3.000 segundos. La empresa fabrica los sistemas completos, es decir, los motores, sus cátodos, las unidades de control de la energía eléctrica y del gas propelente.

El modelo BHT-20K funciona con una corriente eléctrica de 500 V y 40,5 A, lo que representa una potencia de 20,25 kW. El gasto nominal de propelente (gas) es de 40 mg por segundo. De esta forma se consigue un empuje de 1,08 N y un impulso específico de 2.750 segundos, con una eficiencia energética del 72 %.

El motor iónico utilizado como propulsor principal del satélite de la ESA SMART-1 era el motor de efecto Hall modelo PPS-1350 desarrollado por SNECMA con la colaboración de la empresa rusa Fakel. Se trata de un motor estacionario de plasma (SPT) dotado de una cámara de 100 mm de diámetro. Su potencia máxima es de 1,5 Kw y la mínima de 480W. Su potencia nominal es de 1.190 W, con la que consigue 68 mN de empuje y un impulso específico de 1.640 segundos. Este motor puede estar funcionando un total de 7.000 horas a su máxima potencia, lo que representaría un impulso total de 2.000.000 de Ns.