Suponiendo que te refieres a "bastante pequeño" en términos de masa y potencia de empuje. Básicamente, los impulsores de iones actuales están limitados por la cantidad de energía disponible para ellos: se necesitan muchos, muchos kilovatios de energía de entrada para proporcionar pequeñas cantidades de empuje.

Como sabrá por la respuesta que vinculó, el Dawn La nave espacial está propulsada por 3 motores de iones NSTAR que generan un empuje máximo de 90 mN, y cada uno tiene una masa de ~ 25,5 kg. Lo que esa respuesta no mencionó es la enorme cantidad de energía de entrada que Dawn requiere para operar sus motores de iones. Tiene una enorme matriz de paneles solares de 36,4 m ² que, cuando se estiran, hacen que toda la sonda tenga 19,7 m de ancho ( Fuente).

A 1AU, generan una enorme potencia de 10kW, pero debido a la ley del cuadrado inverso, esto se reduce a 1300W a 3AU . Este es un problema inherente a todas las naves espaciales alimentadas con energía solar; de hecho, la reunión de la NASA de 2007 que produjo el documento vinculado anteriormente sobre la energía solar de las naves espaciales estimó que tomaría 250m² matriz solar para proporcionar solo 400W a un orbitador Urano. Toda esta situación se agrava cuando su fuente de propulsión requiere kilovatios de potencia para funcionar, lo que limita la utilidad de los motores iónicos lejos del sol.

La referencia de diseño del motor iónico NSTAR requiere 2,3 kW de potencia específicamente. Gran parte de esta energía es necesaria para proporcionar una distancia de voltaje para acelerar los iones (por lo tanto, producir el empuje).

El resto de un motor de iones es principalmente de etapa sólida y digital, con pocas partes móviles en general. Esto contribuye a su baja masa. Esta baja masa tampoco es inherente a los motores de iones: los propulsores físicos de hidracina que se encuentran comúnmente en las naves espaciales tampoco pesan tanto, es la masa del combustible el problema.

Soluciones

La mayoría de los intentos de ampliar los motores de iones requieren inevitablemente grandes paneles solares o reactores de fisión nuclear (denominados respectivamente Propulsión eléctrica solar & Propulsión eléctrica nuclear). Ninguna fuente de energía es completamente ideal. El intento de escalado más cercano de propulsión iónica fue un plan para conectar un motor VASIMR a la ISS (que desde entonces ha caído) para proporcionar refuerzos ocasionales a la altitud de la estación para compensar su desintegración orbital. Esto usaría 200kW de potencia para generar 4N de empuje; el problema es que en realidad es más que la potencia total de salida de la ISS. Su solución fue cargar un conjunto de baterías que permitían que el motor se disparara de forma intermitente.

Ad Astra, la empresa que desarrolla VASIMR, también propuso una arquitectura de misión en la que uno podría llegar a Marte en 39 días, pero tal misión requeriría un reactor nuclear de varios megavatios. El clima técnico y político actual hace que esto no sea un arranque.

En resumen ...

Básicamente, los motores de iones son pequeños y ofrecen pequeñas cantidades de empuje debido al tamaño, masa, y la potencia necesaria para hacerlos funcionar a mayores empujes es actualmente inviable.

Hasta que bajen los costos de lanzamiento y las soluciones energéticas puedan entregar más potencia a las naves espaciales, los motores de iones parecen estar confinados a aplicaciones de bajo empuje.

Dejando de lado los problemas de consumo de energía (que han sido bien discutidos en otras respuestas) y volviendo a la parte de la pregunta en la que preguntaste:

¿Están [Ion Thrusters] fundamentalmente limitados en de alguna manera? ¿Hay alguna razón para esperar que sus límites ahora puedan superarse en algún momento para que su alto Isp pueda usarse para una mayor aceleración en naves espaciales más grandes?

Hay algunas investigaciones muy interesantes hecho en el Laboratorio de Propulsión Eléctrica y Dinámica del Plasma de Princeton (EPPDyL) en esa pregunta usando aceleradores de fuerza de Litio Lorenz. La investigación todavía está en curso, pero los resultados publicados hasta ahora parecen alentadores.

Este gráfico de Escala de eficiencia con campo magnético aplicado en propulsores magnetoplasmadinámicos (página 5):

Muestra el empuje de su propulsor experimental contra es el suministro actual a diferentes velocidades de alimentación de Li. La relación de empuje a potencia (si estoy leyendo el gráfico correctamente) muestra una eficiencia de 1N / 37.5kW en una configuración óptima. Aproximadamente el doble de lo citado anteriormente para el dispositivo VASIMIR.

Así que definitivamente se está avanzando, pero todavía hay un camino por recorrer antes de que los propulsores de iones comiencen a reemplazar los motores químicos en naves más grandes.

Si bien su ISP es increíblemente bueno, los propulsores de iones tienen una relación T / W miserable, menos de 1/1000 de la unidad; simplemente no puede despegar de un cuerpo grande con ellos, sin importar cuántos de ellos use.

Creo que el principal factor limitante es el consumo de energía. Los propulsores utilizados en Dawn y DS1 requieren 24 kW por newton de empuje. Necesitaría 1,21 gigavatios para ejecutar un propulsor de 50 kN. Los propulsores de iones actualmente en uso son pequeños solo porque necesitarías paneles solares ridículamente grandes para hacer uso de los más grandes.

Lo que la mayoría de las otras respuestas no reconocen es que los propulsores de iones son pequeños POR DISEÑO.

Es cierto que PODRÍA escalar su unidad de iones si la conecta a una escala similar. fuente de alimentación. Pero no lo haría.

La razón por la que se utilizan las unidades Ion es porque tienen un gran ISP. La razón por la que tienen un gran ISP es que tienen una gran velocidad de escape. La razón de esto es que una cantidad ENORME de energía cinética se pone en una cantidad MINÚSCULA de combustible.

  1/2 mv ^ 2 = KE  

La ampliación de la unidad de iones simplemente aumentaría la cantidad de combustible que se descarga por la parte trasera. Lo cual, sí, aumenta el empuje, pero a expensas del ISP.

El hecho es que escalar una unidad de iones va en contra del concepto completo de una unidad de iones.

EDITAR:

De acuerdo, no hay ni siquiera un límite "estricto" para la mayoría de las unidades de iones en el ISP. Sin embargo, existen importantes problemas de ingeniería. Tomemos el clásico motor de iones de estilo acelerador lineal. En algún momento es necesario acelerar los iones hacia un electrodo. Cuanta más energía ponga en los iones, más pesados ​​chocarán contra el electrodo (en caso de que golpeen). Esto daña el electrodo.

Este tipo de problema existe en todos los impulsores de iones. Básicamente, está tratando de hacer el motor más endeble posible, que produce la llama más caliente. En algún momento, su endeble motor perderá la llama caliente y dejará de funcionar de manera eficiente.

Ignorando la cuestión de la energía que ya se ha tratado muy bien ...

Los motores de iones son motores de "bajo empuje", lo que significa que su relación empuje-peso es mucho menor que 1.

¡Sí, los motores de iones son escalables! Puede hacerlos de cualquier tamaño, pero realmente no puede aumentar la relación de empuje a superficie. Entonces, si desea duplicar el empuje, debe hacer que el motor sea el doble de ancho o usar dos motores uno al lado del otro. Prácticamente, esto significa que podemos 1) ampliar una nave espacial con motor de iones y 2) agregar aún más motores para obtener una mejor relación peso-empuje, pero seguirá siendo una nave espacial fundamentalmente de "bajo empuje" con esas elegantes trayectorias en espiral. Eso no significa que no sean útiles, solo significa que quien los opera necesita paciencia.

El volumen aumenta con un cubo de tamaño y el área con el cuadrado de tamaño. Entonces, si haces una nave espacial 10 veces más larga que Dawn, terminarás con algo así como 1000 veces el peso. Para obtener la misma relación empuje-peso, necesitaría motores con 1000 veces el área, o sqrt (1000) = 32 veces más grande. Además, los paneles solares tendrían que ser 32 veces más largos para la misma forma. ¡No hay límite, pero eventualmente su nave estará compuesta por paneles y motores solares!

Esto es pura especulación ... un motor de iones es un acelerador de partículas y los aceleradores electrostáticos son muy forma básica de hacer el trabajo. Un ciclotrón pequeño podría brindarle una mejor relación peso-empuje, ¡pero aún sería de "empuje bajo"!

Creo que usar 24 Kjoules de energía para producir el equivalente a 1 Joule de impulso es el asesino aquí ... Si el motor de iones alguna vez va a ser realmente útil, tendrá que aumentar ... Y en ese caso Creo que incluso 2 julios de impulso o 10 no serían un gran avance, pero una fracción de la eficiencia que se mide en el rango de porcentaje sería, en lugar de la corriente de 41,67 por millón ..

( incluso si el ISP cayera ...) (pero aún así, si el ISP es solo una fracción, mientras que la eficiencia aumentaría varios decimales, valdría la pena ...)

Más combustible en este caso sí , pero mucho menos peso del motor, mucho menos peso del reactor ... (o paneles solares para el caso ...) En este último, sugeriría una vela solar en lugar de paneles ... Además, una vela solar sería mucho menos propensa a la eficiencia pérdida debido al daño ... Una vela solar aún sería útil incluso a 10+ au ..

(el sil solar funcionaría de manera muy similar a un panel solar, pero sería flexible, con celdas mucho más grandes ... a diferencia de la definición estándar s de una vela solar, que daría impulso a través del impacto físico de 'partículas solares' en su superficie, en lugar de la corriente eléctrica ..)

(pensando en eso ahora, también puede ser posible usar ambos, al menos en cierta medida, alejándose del sol ..)

De hecho, he pensado mucho en esto y he ideado dos formas de hacerlo. Se podría usar una matriz solar adjunta al motor de iones para enfocar la luz o el láser en una boquilla parabólica que enfocaría más la luz en el cuello del propulsor creando la energía necesaria para encender o crear plasma a partir del combustible.

La segunda era disparar un láser en el espejo parabólico y nuevamente la forma de la boquilla del propulsor enfocaría el láser en un punto fino.

Hacia el sol. Mi ilustración difiere de la siguiente. El mío enfoca la luz en un punto fino para generar calor.

http://www.geoffreylandis.com/lightsail/Lightsail89.html Este La ilustración es enfocar la luz para generar electricidad.

No estoy seguro de si mi método sería mejor.

Lejos del sol.