miniatura|6 Propulsor Hall de kW en funcionament al Laboratori de Propulsió a Raig de la NASA En la propulsió de naus espacials, un propulsor d'efecte Hall (HET, de vegades anomenat propulsor Hall o propulsor de corrent Hall) és un tipus de propulsor iònic en què el propel·lent s'accelera mitjançant un camp elèctric. Basant-se en el descobriment d'Edwin Hall, els propulsors d'efecte Hall utilitzen un camp magnètic per limitar el moviment axial dels electrons i després els utilitzen per ionitzar el propel·lent, accelerar eficientment els ions per produir empenta i neutralitzar els ions de la columna. El propulsor d'efecte Hall es classifica com a impuls específic moderat (1.600s) tecnologia de propulsió espacial i s'ha beneficiat d'una considerable investigació teòrica i experimental des dels anys seixanta.
Els propulsors Hall funcionen amb una varietat de propel·lents, els més comuns són el xenó i el criptó. Altres propel·lents d'interès inclouen l'argó, el bismut, el iode, el magnesi, el zinc i l'adamantà.
Els propulsors Hall poden accelerar el seu gas d'escapament a velocitats d'entre 10 i 80 km/s (1.000–8.000 impuls específic s), amb la majoria de models funcionant entre 15 i 30 km/s. L'empenta produïda depèn del nivell de potència. Dispositius que funcionen a 1,35 kW produeixen uns 83 mN d'empenta. Els models d'alta potència han demostrat fins a 5,4 N al laboratori. Nivells de potència fins a 100 kW s'han demostrat per a propulsors Hall de xenó.
Els propulsors d'efecte Hall del 2009 tenien nivells de potència d'entrada d'entre 1,35 i 10 quilowatts i velocitats d'escapament de 10 a 50 quilòmetres per segon, amb un empenyiment de 40 a 600 mil·linewtons i una eficiència d'entre el 45 i el 60 per cent. Les aplicacions dels propulsors d'efecte Hall inclouen el control de l'orientació i la posició dels satèl·lits en òrbita i l'ús com a motor de propulsió principal per a vehicles espacials robòtics de mida mitjana.
Història Els propulsors Hall es van estudiar de manera independent als Estats Units i a la Unió Soviètica. Es van descriure públicament per primera vegada als EUA a principis dels anys seixanta. Tanmateix, el propulsor Hall es va desenvolupar per primera vegada com a dispositiu de propulsió eficient a la Unió Soviètica. Als EUA, els científics es van centrar en el desenvolupament de propulsors iònics en quadrícula.
Dissenys soviètics A la Unió Soviètica es van desenvolupar dos tipus de propulsors Hall:
propulsors amb zona d'acceleració àmplia, SPT (; , Propulsor de plasma estacionari) a Design Bureau Fakel propulsors amb zona d'acceleració estreta, DAS (; , Propulsor amb capa d'ànode), a l'Institut Central de Recerca per a la Construcció de Màquines (TsNIIMASH).
miniatura|Propulsors SPT soviètics i russos El disseny de l'SPT va ser en gran part obra d'AI Morozov. El primer SPT que va operar a l'espai, un SPT-50 a bord d'una nau espacial soviètica Meteor, va ser llançat el desembre de 1971. Es van utilitzar principalment per a l'estabilització de satèl·lits en direccions nord-sud i est-oest. Des de llavors fins a finals de la dècada de 1990, 118 motors SPT van completar la seva missió i uns 50 van continuar funcionant. L'empenta de la primera generació de motors SPT, SPT-50 i SPT-60, era de 20 i 30 mN respectivament. El 1982, es van introduir l'SPT-70 i l'SPT-100, amb un empenyiment de 40 i 83 mN, respectivament. A la Rússia postsoviètica es van introduir els SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 d'alta potència (uns quants quilowatts) i els SPT-35 de baixa potència (menys de 500 W).
Els propulsors soviètics i russos de tipus TAL inclouen el D-38, D-55, D-80 i D-100.
Dissenys no soviètics Els propulsors de construcció soviètica es van introduir a Occident el 1992 després que un equip d'especialistes en propulsió elèctrica del Laboratori de Propulsió a Jet de la NASA, el Glenn Research Center i el Laboratori de Recerca de la Força Aèria, amb el suport de l'Organització de Defensa de Míssils Balístics, visitessin laboratoris russos i avaluessin experimentalment l'SPT-100 (és a dir, un 100 mm de diàmetre (propulsor SPT). Els propulsors Hall continuen utilitzant-se en naus espacials russes i també han volat en naus espacials europees i americanes. Space Systems/Loral, un fabricant americà de satèl·lits comercials, ara vola amb Fakel SPT-100 a les seves naus espacials de comunicacions GEO.
Des de principis dels anys noranta, els propulsors Hall han estat objecte d'un gran nombre d'esforços de recerca als Estats Units, l'Índia, França, Itàlia, el Japó i Rússia (amb molts esforços més petits dispersos en diversos països d'arreu del món). La recerca dels propulsors Hall als EUA es duu a terme en diversos laboratoris governamentals, universitats i empreses privades. Els centres governamentals i finançats pel govern inclouen el Laboratori de Propulsió a Jet de la NASA, el Centre de Recerca Glenn de la NASA, el Laboratori de Recerca de la Força Aèria (Edwards AFB, Califòrnia) i la Corporació Aeroespacial. Les universitats inclouen l'Institut Tecnològic de la Força Aèria dels EUA, la Universitat de Michigan, la Universitat de Stanford, l'Institut Tecnològic de Massachusetts, la Universitat de Princeton, la Universitat Tecnològica de Michigan i Georgia Tech. El 2023, estudiants de l'Olin College of Engineering van demostrar el primer propulsor Hall d'estat estacionari dissenyat per a estudiants de grau. S'està duent a terme un nombre considerable de desenvolupaments a la indústria, com ara IHI Corporation al Japó, Aerojet i Busek als EUA, Safran Spacecraft Propulsion a França, LAJP a Ucraïna, SITAEL a Itàlia i Satrec Initiative a Corea del Sud. miniatura|Mòdul de propulsió d'efecte Hall amb tanc de propel·lent i unitat de control visibles. El primer ús de propulsors Hall en òrbita lunar va ser la missió lunar SMART-1 de l'Agència Espacial Europea (ESA) el 2003.
Els propulsors Hall es van demostrar per primera vegada en un satèl·lit occidental a la nau espacial STEX del Laboratori de Recerca Naval (NRL), que pilotava el D-55 rus. El primer propulsor Hall americà a volar a l'espai va ser el Busek BHT-200 a bord d'una nau espacial de demostració tecnològica TacSat-2. El primer vol d'un propulsor Hall americà en una missió operativa va ser l'Aerojet BPT-4000, que es va llançar l'agost de 2010 al satèl·lit de comunicacions militar Advanced Extremely High Frequency GEO. A 4,5 kW, el BPT-4000 és també el propulsor Hall de major potència mai volat a l'espai. A més de les tasques habituals de manteniment de l'estació, el BPT-4000 també proporciona capacitat d'elevació d'òrbita a la nau espacial. L' X-37B s'ha utilitzat com a banc de proves per al propulsor Hall de la sèrie de satèl·lits AEHF. Diversos països d'arreu del món continuen els esforços per qualificar la tecnologia dels propulsors Hall per a usos comercials. La constel·lació SpaceX Starlink, la constel·lació de satèl·lits més gran del món, utilitza propulsors d'efecte Hall. Starlink inicialment utilitzava gas criptó, però amb els seus satèl·lits V2 va canviar a argó a causa del seu preu més barat i la seva àmplia disponibilitat.
El primer desplegament de propulsors Hall més enllà de l'esfera d'influència de la Terra va ser la nau espacial Psyche, llançada el 2023 cap al cinturó d'asteroides per explorar 16 Psyche.
Principi de funcionament El principi essencial de funcionament del propulsor Hall és que utilitza un potencial electroestàtic per accelerar ions fins a altes velocitats. En un propulsor Hall, la càrrega negativa atractiva la proporciona un plasma d'electrons a l'extrem obert del propulsor en lloc d'una reixeta. Un camp magnètic radial d'uns 100–300 G s'utilitza per confinar els electrons, on la combinació del camp magnètic radial i el camp elèctric axial fa que els electrons es desplacin en azimut, formant així el corrent Hall del qual el dispositiu rep el seu nom. miniatura|Propulsor Hall. Els propulsors Hall són en gran part axialment simètrics. Aquesta és una secció transversal que conté aquest eix. A la imatge adjacent es mostra un esquema d'un propulsor Hall. S'aplica un potencial elèctric d'entre 150 i 800 volts entre l'ànode i el càtode.
La punta central forma un pol d'un electroimant i està envoltada per un espai anular, i al voltant d'aquest hi ha l'altre pol de l'electroimant, amb un camp magnètic radial al mig.
El propel·lent, com ara el gas xenó, s'alimenta a través de l'ànode, que té nombrosos forats petits que actuen com a distribuïdor de gas. A mesura que els àtoms neutres de xenó es difonen al canal del propulsor, s'ionitzen per col·lisions amb electrons d'alta energia circulants (normalment 10–40 eV, o aproximadament el 10% del voltatge de descàrrega). La majoria dels àtoms de xenó estan ionitzats a una càrrega neta de +1, però una fracció notable (aprox. 20%) té una càrrega neta de +2.
Els ions de xenó són accelerats pel camp elèctric entre l'ànode i el càtode. Per a tensions de descàrrega de 300 V, els ions assoleixen velocitats d'uns 15 km/s (9,3 mi/s) per a un impuls específic de 1.500 s (15 kN·s/kg). En sortir, però, els ions arrosseguen un nombre igual d'electrons amb ells, creant una columna de plasma sense càrrega neta.
El camp magnètic radial està dissenyat per ser prou fort per desviar substancialment els electrons de baixa massa, però no els ions de gran massa, que tenen un giroradi molt més gran i gairebé no es veuen impedits. La majoria dels electrons queden, doncs, atrapats orbitant a la regió d'alt camp magnètic radial prop del pla de sortida del propulsor, atrapats a E × B (camp elèctric axial i camp magnètic radial). Aquesta rotació orbital dels electrons és un corrent Hall circulant, i és d'això que el propulsor Hall rep el seu nom. Les col·lisions amb altres partícules i parets, així com les inestabilitats del plasma, permeten que alguns dels electrons s'alliberin del camp magnètic i derivin cap a l'ànode.
Aproximadament entre el 20 i el 30% del corrent de descàrrega és un corrent d'electrons, que no produeix empenta, cosa que limita l'eficiència energètica del propulsor; l'altre 70-80% del corrent es troba en els ions. Com que la majoria dels electrons estan atrapats en el corrent Hall, tenen un llarg temps de residència dins del propulsor i són capaços d'ionitzar gairebé tot el propel·lent de xenó, permetent un ús en massa del 90-99%. L'eficiència d'ús en massa del propulsor és, doncs, al voltant del 90%, mentre que l'eficiència del corrent de descàrrega és al voltant del 70%, per a una eficiència combinada del propulsor d'al voltant del 63% (= 90% × 70%). Els propulsors Hall moderns han aconseguit eficiències de fins al 75% mitjançant dissenys avançats.
En comparació amb els coets químics, l'empenta és molt petita, de l'ordre de 83 mN per a un propulsor típic que funciona a 300 V i 1,5 kW. En comparació, el pes d'una moneda com la de 25 centaus dels EUA o una moneda d'euro de 20 cèntims és d'aproximadament 60 mN. Com passa amb totes les formes de propulsió elèctrica per a naus espacials, l'empenta està limitada per la potència disponible, l'eficiència i l'impuls específic.
Tanmateix, els propulsors Hall funcionen amb els impulsos específics elevats que són típics de la propulsió elèctrica. Un avantatge particular dels propulsors Hall, en comparació amb un propulsor iònic en quadrícula, és que la generació i l'acceleració dels ions té lloc en un plasma quasi neutre, de manera que no hi ha cap limitació de corrent saturat de càrrega Child-Langmuir (càrrega espacial) sobre la densitat d'empenta. Això permet propulsors molt més petits en comparació amb els propulsors iònics en quadrícula.
Un altre avantatge és que aquests propulsors poden utilitzar una varietat més àmplia de propel·lents subministrats a l'ànode, fins i tot oxigen, tot i que es necessita alguna cosa fàcilment ionitzable al càtode.
Propulsors Xenó