Regímenes iónicos de emisión vía electrospray. Aplicación a propulsión iónica

Resumen

La aplicación de un campo eléctrico suficientemente elevado como para vencer la tensión superficial en un líquido conductor, tiene como resultado la deformación de la interfaz del líquido con el medio exterior, haciendo que adopte una forma cónica conocida como de Taylor, por ser éste uno de los primeros autores en estudiar el fenómeno. El vértice del menisco tiende a estirarse formando un chorro, cuya rotura en su parte final puede explicarse como consecuencia del acoplo inestable de modos clásicos de perturbación condicionados por la componente electrostática del problema. El resultado es la emisión de gotas cargadas eléctricamente y/o iones, conocida comúnmente como electrospray. El tamaño de dichas partículas depende en primera instancia de las propiedades físicas del líquido, llegando a producirse gotas de orden nanométrico. A conductividades elevadas (superiores a 1 S/m), los campos eléctricos en el vértice del cono adquieren valores característicos del orden de 1 V/nm, produciendo emisión en forma de iones. Las aplicaciones nanotecnológicas del electrospray son importantes en campos tales como la medicina, química, electrónica, propulsión, etc. El interés es creciente en los últimos años, como muestra el elevado número de publicaciones realizadas, y en particular el galardón del premio Nobel de Química del año 2002 a John B. Fenn, por su contribución al desarrollo de métodos de ionización para el análisis de macromoléculas biológicas mediante espectrometría de masas. El presente trabajo se centra en el estudio de las emisiones iónicas del electrospray, que permite su aplicación como sistema de propulsión espacial de elevada eficiencia y precisión. La actual tecnología de propulsión eléctrica, ha conseguido cubrir relaciones masa/carga superiores a 10? Dalton con emisiones vía electrospray en forma de gotas (propulsión coloidal). Las fuentes iónicas de plasma (Xe?) y de metales líquidos en caliente (Cs? y Au?), no permiten superar los 197 Dalton. El rango comprendido entre ambas magnitudes estaba tradicionalmente sin cubrir. Este proyecto tiene como objetivo fundamental estudiar las condiciones en las que se pueden producir emisiones iónicas puras con relaciones masa/carga superior a los metales líquidos, con aplicación en propulsión iónica. Para la caracterización de dichos regímenes iónicos, se diseña y construye una instalación en vacío que permite medir el tiempo de vuelo de las partículas emitidas, registrando la distribución de intensidad en función del tiempo al interrumpir súbitamente el electrospray, técnica que se conoce como Time Of Flight (tiempo de vuelo). Permite operar calentando el líquido para aumentar su conductividad, y posee resolución suficiente como para distinguir entre varios tipos de iones. El sistema funciona como un espectrómetro de masas (de interés no sólo en propulsión), que permite inferir la relación masa/carga de las partículas emitidas (parámetro crítico para propulsión), así como otros de notorio interés, como el empuje, el impulso específico, el flujo másico, el rendimiento, etc. Se han estudiado sales fundidas que permanecen en fase líquida a temperatura ambiente, conocidas como líquidos iónicos. En los resultados presentados se observan por primera vez condiciones en las que la emisión se realiza exclusivamente en forma de iones (sin gotas), a temperatura ambiente para el 1-Etil-3Metil-imidazolium-Tetrafluoroborato y en caliente para una extensa familia de líquidos iónicos. Se ha conseguido por tanto, una nueva fuente pura de iones moleculares, con la particularidad de ser la fuente de iones (de corriente significativa) más pesados que existe en la actualidad. También se incluye el estudio del 1-Etil-3Metil-imidazolium-Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, propelente que será usado en el sistema de micropropulsión del “Disturbance Reduction System” de la NASA que será probado en la misión LISA Pathfinder de la ESA, como preludio de la misión LISA.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------