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El garaje disruptivo del motor espacial ‘helicón’

Sener y la UC3M construyen un propulsor eléctrico que utiliza una antena helicoidal para acelerar plasma mediante ondas de radiofrecuencia

24 OCT. 2018
9 minutos
Luz visible que genera el sistema cuando el motor está encendido. / INNOVADORES

Es innovación de garaje. El laboratorio está en un parking de la Universidad Carlos III en Leganés. Allí, en el interior de una cámara de vacío cilíndrica de 3,5 metros de largo y 1,5 de diámetro que imita las condiciones de ausencia de presión del espacio, brilla un chorro azul de plasma encendido para la visita de INNOVADORES. Es un motor espacial eléctrico "muy disruptivo" que desarrollan desde hace cinco años la firma de ingeniería Sener y la UC3M. Una pone la tecnología y la otra la ciencia.

"En 2013 firmamos un contrato con la Agencia Espacial Europea (ESA) para un estudio de viabilidad de un motor de plasma de fuente helicón (Helicon Plasma Thruster, HPT), pensando en diferentes escenarios. Desde satélites pequeños hasta misiones de exploración a Marte", explica Mercedes Ruiz, directora de proyecto de Sener. Su socio científico, el Grupo de Propulsión Espacial y Plasmas, EP2, formado por el catedrático Eduardo Ahedo y los profesores Pablo Fajardo y Mario Merino, pertenecía a la Universidad Politécnica de Madrid. Pero inmediatamente se mudó a la Carlos III, donde ha crecido mucho. 

El contrato con ESA duró año y medio. Luego buscaron financiación europea. No la consiguieron. "Vimos que el motor podía ser una buena opción para satélites futuros y ambas partes teníamos ganas de sacarlo adelante. Hicimos una apuesta conjunta para seguir con fondos propios". Construyeron un prototipo y ESA les apoyó, cediendo un laboratorio en Holanda para el primer encendido "el 23 de octubre de 2015. Fue un hito", rememora Ruiz. 

En marzo de 2016 empezaron las pruebas en la UC3M. "En diciembre ya se le metió mucha potencia". Para experimentar usan argón, que es más barato que el xenón. El gas "es propulsante, no es combustible, porque no se quema" como en los cohetes químicos. El gas se ioniza, se convierte en plasma y se acelera magnéticamente para que produzca empuje.

El helicón es una tercera opción de motor espacial eléctrico, que hasta ahora nadie ha logrado poner en servicio. Los otros dos son el de efecto Hall y el iónico de rejilla. Son desarrollos de hace medio siglo y se usan en muchos satélites y naves como BepiColombo, de ESA, cuyo destino es Mercurio.

Los tres tienen un punto común: generan plasma caliente a partir de xenón. El elemento innovador en el helicón es una antena helicoidal que aplica radiofrecuencia al plasma para acelerarlo.  «En los otros dos, la aceleración es electrostática. Hay una diferencia de potencial entre dos electrodos, que consigue generar el plasma y acelerarlo», aclara Ruiz. 

"Nosotros no tenemos electrodos. La energía se deposita en el plasma por ondas de radiofrecuencia, emitidas por la antena y acopladas con un campo magnético". "Es la ventaja de este concepto. Los electrodos se degradan, se erosionan, se oxidan… es como tener siempre algo haciendo chispa entre dos puntos", añade. El helicón tendrá más vida útil.

De momento, para los lanzamientos se impone la potencia de los cohetes clásicos de combustión. Pero en el espacio las cuentas cambian. "Consumimos mucho menos propulsante, aunque tardamos más en hacer una maniobra. En propulsión eléctrica los empujes son muy pequeños". 

En un satélite geoestacionario de comunicaciones de unas siete toneladas, con cohetes clásicos, la relación es dos toneladas de combustible por cinco de satélite. Y necesita motor para llegar a su órbita y mantenerse luego en la posición asignada. Con los eléctricos el propulsante son apenas unos cientos de kilos. Se reduce el coste de lanzamientos o aumenta la carga útil.

"El motor iónico de rejilla es el que menos consume. El nuestro tiene menos potencia", concede Ruiz, "pero importa cuánto tardamos. Para subir el satélite desde la órbita baja [donde los dejan los lanzadores] hasta la geoestacionaria, con un cohete químico se tarda una semana. Con un iónico de rejilla, casi un año y con un Hall, unos 150 días. Con un helicón se tardaría menos. No puedes tener todo a la vez, ir rápido y consumir poco".

¿Y cuándo veremos ese motor helicón en una nave espacial? "Depende del dinero y de muchas cosas que hay que resolver", suspira Mercedes Ruiz. "Quizás cinco años. Con mucho dinero a lo mejor podría ser antes…", comenta. 

Satélites, remolcadores, la Luna… Marte El motor helicón ofrece poco empuje, pero de manera constante durante horas. La unidad que desarrollan tendrá una potencia "de unos 500 vatios. Le hemos puesto hasta un kilovatio, comparable a un microondas", señala Mercedes Ruiz. Para satélites, será "un cilindro chato, como una caja de galletas danesas". Pero también "es muy bueno para potencias altas" y servirá "para los módulos que llevarán personas a Marte y para remolcadores espaciales". La idea es que alguien lanza un objeto al espacio y el remolcador, que está en órbita, lo lleva a donde haga falta sin que gaste su combustible. "Servirá también para ir de la Tierra a la Luna".
Contrato con la ESA La Agencia Espacial Europea ha suscrito un contrato con SENER para ampliar los trabajos de desarrollo de este motor de plasma helicón. Con este acuerdo, se podrían beneficiar de esta nueva tecnología, a corto plazo, los satélites de telecomunicaciones que operan en órbitas geoestacionarias, así como satélites en órbita terrestre baja y constelaciones en órbita terrestre media.