Mario Merino Martínez, investigador del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial de la UC3M, trabaja en el diseño, modelado, simulación y ensayo de motores espaciales de plasma
Su investigación se centra en el diseño, modelado, simulación y ensayo de motores espaciales de plasma dentro del Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas (EP2) del departamento de Ingeniería Aeroespacial. ¿Nos puede explicar en qué consiste?
Nos encontramos a las puertas de una nueva edad espacial, donde será necesario el transporte frecuente de multitud de cargas entre distintas órbitas terrestres, luna, Marte, asteroides, etc. Para que este sueño se haga realidad es necesario disponer de cohetes eficientes, simples y flexibles, con una gran vida útil, y que se puedan utilizar en un gran tipo de misiones.
La propulsión por plasma ofrece un consumo de propulsante muchísimo menor (unas 10 veces menos, típicamente) que la propulsión química, y esto la convierte en el candidato ideal para esta nueva economía espacial. El trabajo que realizamos en el Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas en la Universidad Carlos III de Madrid trata de desarrollar y mejorar la tecnología de propulsión por plasma, lo cual pasa por un entendimiento detallado de la física, basado en la realización de experimentos y simulaciones.
Su proyecto denominado ZARATHUSTRA (Revolutionizing advanced electrodeless plasma thrusters for space transportation; Revolucionando los motores avanzados de plasma sin electrodos para el transporte espacial) ha recibido el apoyo del Consejo Europeo de Investigación con una ERC Starting Grant. ¿Qué nuevos planteamientos aporta, dentro de su línea de investigación?
Hay cohetes de plasma que ya están volando y con mucho éxito, como son el motor de efecto Hall, pero son dispositivos complejos y pesados, con puntos de operación muy concretos, y que requieren xenón de gran pureza para funcionar, un propulsante que cada vez es más escaso y está más y más caro.
El proyecto ZARATHUSTRA propone el desarrollo de una nueva familia de cohetes, conocida como los motores de plasma sin electrodos, que aportarían grandes ventajas en estos frentes: al no tener electrodos su electrónica es más sencilla y pueden operar con prácticamente cualquier gas, lo que los hace muy interesantes también para el reabastecimiento en destino. Estos motores utilizan ondas de radiofrecuencia para generar y calentar el plasma y unos campos magnéticos diseñados para proteger las paredes internas y acelerar el plasma sin entrar en contacto material con él, con lo que se podría operar por muy largo tiempo sin deteriorarlo, y ganar mucho en flexibilidad.
Actualmente hay mucho de la física de estos motores que aún no se entiende bien, y esto ha frenado su desarrollo y que se alcancen buenas eficiencias propulsivas. El objetivo central del proyecto es desentrañar esa física, y desde el entendimiento, comprender los límites de esta tecnología y proponer nuevos diseños de motor y mejoras que permitan superar los obstáculos actuales, convirtiendo los motores de plasma sin electrodos en una realidad.
¿Qué métodos emplea en su investigación?
La forma de abordar este desafío en ZARATHUSTRA es múltiple: por una parte, estamos desarrollando modelos del flujo de plasma y de las ondas electromagnéticas. La simulación del plasma es muy difícil, ya que, al contrario que un gas neutro, los plasmas reaccionan a los campos electromagnéticos, y generan los suyos propios. Una de las técnicas que utilizamos son los llamados códigos de partículas o cinéticos, que permiten hacer un seguimiento casi individualizado de cómo se mueve cada electrón y cada ion en el plasma.
“Sin duda el futuro de nuestra sociedad pasa por el espacio. Ya no es solo las innumerables ventajas que nos aportan las comunicaciones y la navegación por satélite, o el control de recursos en tierra”
Por otra parte, utilizamos experimentos en cámara de vacío, diseñados para medir ciertas propiedades del plasma o parámetros de operación del motor como si estuviera funcionando en el espacio. Para ello, empleamos sondas de distintos tipos que permiten resolver variables como la densidad del plasma o el potencial eléctrico en el espacio y el tiempo. Estamos especialmente interesados en estudiar la viabilidad de una nueva geometría de motor de plasma en forma de U, que patentamos previamente, y que posee dos chorros controlables independientemente. Este motor podría tener ventajas interesantes frente a los diseños cilíndricos actuales, y es algo que queremos comprobar.
Por último, hacemos uso también de ciertas técnicas de análisis de datos, tanto de análisis modal como no lineal. Esta es una línea de trabajo nueva para el grupo, en la que estamos invirtiendo esfuerzo, profundizando en la identificación de sistemas, el desarrollo de modelos reducidos, y el entrenamiento de modelos basados en redes neuronales.
¿Qué aplicaciones prácticas tiene su investigación, y en qué manera contribuye a afrontar los desafíos de la sociedad?
Sin duda el futuro de nuestra sociedad pasa por el espacio. Ya no es solo las innumerables ventajas que nos aportan las comunicaciones y la navegación por satélite, o el control de recursos en tierra. Pronto será necesario explorar otros mundos y conseguir nuevos recursos más allá de nuestro planeta. Para ello, disponer de sistemas de propulsión eficaces, eficientes, sencillos y flexibles es imprescindible: es una tecnología habilitadora, sin la cual nada de ese futuro podrá cumplirse. "Esperamos que con proyectos como ZARATHUSTRA, podamos poner nuestro granito de arena en esta gran aventura de la humanidad".
Nos ha comentado que “si todo va bien, se podrá iniciar el desarrollo de una nueva tecnología espacial en la universidad con un nuevo círculo de investigadores jóvenes dentro del Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas, formados en las técnicas más punteras”. ¿En qué punto se encuentra esta nueva tecnología?
Actualmente hemos desarrollado el primer prototipo de ese nuevo motor de plasma en forma de U. Estamos en el proceso de probarlo en la cámara de vacío de nuestro laboratorio en los próximos meses. También lo estamos estudiando mediante códigos de simulación, para entender qué mecanismos físicos definen su eficiencia.
¿Dónde se pueden aplicar estos conocimientos?
Aparte obviamente de en la propulsión espacial por plasma, esperamos que las técnicas de trabajo y los conocimientos que se desarrollen en ZARATHUSTRA sean de aplicación en otros dominios también. Por ejemplo, en la fusión nuclear por confinamiento magnético, en desarrollo desde hace décadas, y que podría convertirse en la fuente de energía definitiva que tanto necesitamos. O en las técnicas de procesado de materiales y semiconductores, que también utilizan plasmas.
¿Cómo hacer llegar a la sociedad el trabajo que realizan los científicos y las científicas?
Es muy importante visibilizar el trabajo de gran calidad que se está realizando en las universidades públicas españolas. Nosotros participamos habitualmente en encuentros ciudadanos como la Semana de la Ciencia y la Noche Europea de los Investigadores, y nos apuntamos a cualquier bombardeo que nos permita interactuar directamente con un público motivado.
¿Qué retos se plantea en un futuro con su investigación?
A medio plazo, mi objetivo es consolidar líneas de trabajo nuevas en nuestro grupo de investigación, como son las técnicas avanzadas de análisis de datos y el desarrollo de motores de plasma sin electrodos, en los que llevamos trabajando varios años, y construir un equipo fuerte de investigadores jóvenes con mucha energía para abordar los desafíos futuros de la propulsión eléctrica.
Ya sé que me dirá como buen académico e investigador, que la ciencia no tiene fronteras, ni nacionalidad… pero no por ello deja de ser cierto que la ciencia la hacen personas concretas en lugares determinados. ¿Cómo avanza Madrid cuando avanza la ciencia en Madrid?
En la sociedad del conocimiento en la que vivimos, o lideras o te lideran. Y para liderar, hay que estar al frente de la investigación y del desarrollo de nueva tecnología. Con proyectos como este queremos posicionar nuestro grupo entre los más punteros en física de plasmas y propulsión espacial a nivel mundial.
¿Qué ha supuesto en tu trayectoria obtener la importante y prestigiosa financiación ERC?
Sin duda, ganar una ERC es uno de los sueños de cualquier investigador, pues te aporta una gran independencia y flexibilidad para investigar durante 5 años. Estoy muy agradecido por la confianza que el Consejo Europeo de Investigación ha depositado en mí al concederme el proyecto ZARATHUSTRA.
¿Algo más que añadir?
Me gustaría terminar agradeciendo a las personas con las que trabajo todo el apoyo que me han prestado y me prestan cada día. Sin su colaboración, sin su presencia, este proyecto no sería posible. Y hacer un llamamiento a todos los jóvenes, chicos y chicas, con ganas de enfrentarse al reto de la investigación puntera: es una carrera difícil pero muy gratificante si tienes curiosidad y sentido crítico. Con vuestra ayuda, será posible que lleguemos a las estrellas
