LA MAGIA DE LA CARGA. MOTORES IÓNICOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que denominamos carga eléctrica, es la responsable de las fuerzas de atracción y repulsión entre ellas, bien descritas por los campos electromagnéticos, al tiempo que lo generan. Del mismo modo que las partículas elementales se dotan de masa por la interacción con el campo de Higgs, cabe formular el interrogante de si la carga, ya sea positiva o negativa (por ejemplo en protones y electrones) viene asignada por un factor externo o es una propiedad intrínseca de las propias partículas, para concluir que es una propiedad intrínseca. Varias especies de quarks se combinan, para dar lugar a partículas como protones y neutrones. Los quarks son fermiones (de spin ½) capaces de interactuar con las cuatro fuerzas fundamentales. La carga de los quarks es -1/3 o 2/3 de la carga elemental, de forma que los bariones o mesones, como partículas compuestas, resultan tener una carga entera.

En un experimento brillante, llevado a cabo en la Universidad de Chicago por Millikan y Fletcher en 1911, se midió la carga elemental, atribuida al electrón. El experimento consistió en equilibrar la fuerza gravitatoria con la fuerza que impulsaba a flotar a unas gotas de aceite cargadas y suspendidas mediante unos electrodos metálicos. Conocida la densidad de las gotas de aceite, a partir del radio de las gotas, se podían obtener las masas, las fuerzas gravitatorias que actuaban sobre ellas y las fuerzas de flotación. Así que, usando un campo eléctrico conocido, determinaron la carga de las gotas que se mantenían en equilibrio mecánico. La conclusión fue, que las medidas efectuadas a una gran cantidad de gotas de aceite, todas tenían una carga múltiplo de un valor fundamental y que atribuyeron como carga del electrón: 1.592417 x 10-19 C, que fue el que dio Millikan en su discurso de aceptación del Nobel en 1923. Hubo polémica, en la que terció Feynman andando el tiempo,  sobre el procedimiento de tratar los datos y el error asociado. Finalmente, en la actualidad se acepta el dato de 1.5924(17) x 10-19 C. El quid de la aportación es que los resultados se pueden explicar como múltiplos enteros de un valor común, que se asume que es la carga del electrón. La belleza del experimento reside en la evidencia de que la carga está cuantizada. Hasta el propio Edison quedó impresionado por ello y finalmente convencido, ya que sostenía que la carga era una variable continua.

La cuestión es que hoy ya hay evidencias de que protón y neutrón están formados por quarks, dos del tipo arriba y uno del tipo abajo, en el caso de los protones y un quark arriba y dos abajo para los neutrones. Los electrones, en cambio, son partículas elementales, sin división conocida, por tanto.

Los iones, que son moléculas o átomos dotados de carga eléctrica, son susceptibles de acelerarlos empleando un campo eléctrico. El método puede variar, pero todos los procedimientos emplean la relación carga/masa de los iones. Comparados con los cohetes convencionales, los propulsores iónicos consiguen un impulso dado, reduciendo la masa e incrementando la potencia. Logran un orden mayor que los impulsores de combustible líquido. La cuestión es la potencia. Los propulsores de combustible líquido o sólido generan mucho empuje durante un tiempo corto, mientras que el impulsor iónico genera poco empuje durante mucho tiempo. Tan es así, que Kaku afirma que cuando se enciende un motor iónico, parece que no pasa nada. Son motores que funcionan ionizando un gas, como el xenón, tras lo que se aceleran empleando un campo eléctrico. Se alcanzan grandes distancias, pese a la pequeña aceleración impresa.  Ionizando el gas empleando microondas u ondas de radio, es una forma de lograrlo. En esto consiste el denominado motor de plasma. La cuestión es la electricidad necesaria que es muy elevada cuando se piensa en efectuar un viaje interplanetario. No es difícil concluir que se requeriría toda una planta nuclear para ello. Hoy por hoy, no obstante están puestas en él todas las esperanzas para llevar a cabo las expediciones interplanetarias.

Una cuestión relevante es la energía necesaria para hacer funcionar a un propulsor. Una parte se emplea en la ionización, pero la parte mas importante es la implicada en la aceleración. Un cohete convencional impulsa a una velocidad de 3000 m s-1 o 4000 ms-1 y en un motor iónico se trata de unos 30.000 ms-1. El empuje en los motores iónicos en inversamente proporcional a la velocidad de salida, mientras que el consumo de energía es proporcional al cuadrado de la velocidad. Es concebible que un motor iónico con un acelerador de partículas  podrá alcanzar velocidades próximas a la de la luz. La aparente paradoja es que se trata de una forma de impulso cuya fuerza es tan pequeña como la que podría ejercer una hoja de papel sobre una mano, entre una diezmilésima y una cienmilésima de la aceleración de la gravedad. Ahora bien, partiendo con una velocidad diminuta, gracias a que en el espacio no hay fricción, se pueden alcanzar velocidades muy elevadas. Hoy ya se emplean para mantener satélites en órbita. Ya se empleó en 1964. Tras ello, han habida muchos proyectos hasta la actualidad, en que se usan campos magnéticos para ionizar el xenón. Los electrones liberados son acelerados con microondas y son los que ionizan más átomos mediante colisiones. Así se genera un plasma en gases a baja densidad. Se han usado fulerenos como propelentes, que ofrecen una mayor superficie para ionización por impacto electrónico, lo que aporta mayor eficacia que cuando se trata de xenón. Están puestas todas las esperanzas poniendo la vista en los viajes interplanetarios. No es para hoy, pero no habrá demasiada demora para que llene el escenario de las necesidades apremiantes de la Humanidad.