Napęd plazmowy jest przedmiotem zainteresowania astronomów i agencji kosmicznych. Jako wysoce zaawansowana technologia, która oferuje znaczną oszczędność paliwa w porównaniu z konwencjonalnymi rakietami chemicznymi, jest obecnie stosowana we wszystkim, od statków kosmicznych i satelitów po misje eksploracyjne. Patrząc w przyszłość, plazma przepływająca jest również badana pod kątem bardziej zaawansowanych koncepcji napędu, a także syntezy magnetycznej.
Jednak powszechnym problemem związanym z napędem plazmowym jest fakt, że polega on na tak zwanym „neutralizatorze”. Ten instrument, który pozwala statkom kosmicznym pozostać neutralnym pod względem ładunku, stanowi dodatkowy spadek mocy. Na szczęście zespół naukowców z University of York i École Polytechnique bada projekt pędnika plazmowego, który całkowicie wyeliminowałby neutralizator.
Badanie szczegółowo przedstawiające wyniki badań - zatytułowane „Dynamika propagacji chwilowej plazmy przepływającej przyspieszane przez pola elektryczne o częstotliwości radiowej” - zostało opublikowane na początku tego miesiąca w Fizyka plazmy - czasopismo opublikowane przez American Institute of Physics. Kierowani przez dr Jamesa Dendricka, fizyka z York Plasma Institute na University of York, przedstawiają koncepcję samoregulującego pędnika plazmowego.
Zasadniczo plazmowe układy napędowe wykorzystują energię elektryczną do jonizacji gazu pędnego i przekształcenia go w plazmę (tj. Ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jony). Te jony i elektrony są następnie przyspieszane przez dysze silnika, aby generować ciąg i napędzać statek kosmiczny. Przykłady obejmują pędnik z siatką jonową i Halla, z których oba stanowią sprawdzone technologie napędowe.
Pędnik Gridden-ion został po raz pierwszy przetestowany w latach 60. i 70. jako część programu Space Electric Rocket Test (SERT). Od tego czasu jest używany przez NASA Świt misja polegająca na eksploracji Ceres w Głównym Pasie Asteroid. W przyszłości ESA i JAXA planują użyć silników odrzutowych z siatki żelaznej do napędzania misji BepiColombo na Merkurego.
Podobnie, pędniki Halla były badane od lat 60. XX wieku zarówno przez NASA, jak i radzieckie programy kosmiczne. Po raz pierwszy zastosowano je w ramach misji Małe misje ESA na rzecz zaawansowanych badań w technologii-1 (SMART-1). Ta misja, która rozpoczęła się w 2003 roku i uderzyła w powierzchnię Księżyca trzy lata później, była pierwszą misją ESA na Księżyc.
Jak wspomniano, wszystkie statki kosmiczne korzystające z tych silników odrzutowych wymagają neutralizatora, aby zapewnić, że pozostają „neutralne pod względem ładunku”. Jest to konieczne, ponieważ konwencjonalne pędniki plazmowe wytwarzają więcej cząstek naładowanych dodatnio niż ujemnie. Jako takie neutralizatory wstrzykują elektrony (które niosą ładunek ujemny) w celu utrzymania równowagi między jonami dodatnimi i ujemnymi.
Jak można podejrzewać, te elektrony są generowane przez systemy zasilania statku kosmicznego, co oznacza, że neutralizator stanowi dodatkowe zużycie energii. Dodanie tego elementu oznacza również, że sam układ napędowy będzie musiał być większy i cięższy. Aby temu zaradzić, zespół York / École Polytechnique zaproponował projekt pędnika plazmowego, który sam może pozostawać neutralny pod względem ładunku.
Pojęcie to, znane jako silnik Neptuna, zostało po raz pierwszy zademonstrowane w 2014 r. Przez Dmytro Rafałskiego i Ane Aanesland, dwóch naukowców z Laboratorium Fizyki Plazmy (LPP) w École Polytechnique i współautorów ostatniego artykułu. Jak wykazali, koncepcja opiera się na technologii stosowanej do tworzenia pędników z siatką jonową, ale udaje się generować spaliny, które zawierają porównywalne ilości dodatnio i ujemnie naładowanych jonów.
Jak wyjaśniają w trakcie studiów:
„Jego konstrukcja opiera się na zasadzie przyspieszenia plazmy, zgodnie z którą równoczesną ekstrakcję jonów i elektronów osiąga się poprzez przyłożenie oscylującego pola elektrycznego do siatkowej optyki przyspieszenia. W tradycyjnych pędnikach z jonami siatkowymi jony są przyspieszane za pomocą wyznaczonego źródła napięcia w celu przyłożenia pola elektrycznego prądu stałego (dc) między siatkami ekstrakcyjnymi. W tej pracy powstaje napięcie prądu stałego prądu stałego, gdy energia o częstotliwości radiowej (rf) jest sprzężona z siatkami ekstrakcyjnymi ze względu na różnicę w powierzchni zasilanych i uziemionych powierzchni w kontakcie z plazmą. ”
Krótko mówiąc, pędnik wytwarza wydech, który jest faktycznie neutralny dla ładunku dzięki zastosowaniu fal radiowych. Ma to taki sam efekt, jak dodanie pola elektrycznego do ciągu i skutecznie eliminuje potrzebę neutralizatora. Jak wykazały badania, pędnik Neptuna jest również w stanie generować pchnięcie porównywalne z konwencjonalnym pędnikiem jonowym.
Aby jeszcze bardziej rozwinąć technologię, połączyli siły z Jamesem Dedrickiem i Andrew Gibsonem z York Plasma Institute, aby zbadać, jak działa pędnik w różnych warunkach. Z Dedrickiem i Gibsonem na pokładzie zaczęli badać, w jaki sposób wiązka plazmy może oddziaływać z przestrzenią i czy wpłynie to na jej zrównoważony ładunek.
Odkryli, że wiązka spalin silnika odegrała dużą rolę w utrzymaniu neutralnej wiązki, gdzie propagacja elektronów po ich wprowadzeniu do siatek ekstrakcyjnych działa w celu kompensacji ładunku przestrzennego w wiązce plazmy. Jak stwierdzają w swoim badaniu:
„[P] optyczną spektroskopię emisyjną z rozdzielczością wazową zastosowano w połączeniu z pomiarami elektrycznymi (funkcje dystrybucji energii jonów i elektronów, prądy jonów i elektronów oraz potencjał wiązki) w celu zbadania przejściowej propagacji elektronów energetycznych w przepływającej plazmie generowanej przez rf sterowany plazmą ster strumieniowy. Wyniki sugerują, że propagacja elektronów podczas przerwy w zapadaniu się osłony na siatkach ekstrakcyjnych działa w celu kompensacji ładunku przestrzennego w wiązce plazmy. ”
Oczywiście podkreślają również, że konieczne będzie przeprowadzenie dalszych testów, zanim będzie można zastosować pędnik Neptuna. Ale wyniki są zachęcające, ponieważ oferują możliwość lżejszych i mniejszych pędników jonowych, co pozwoliłoby na zbudowanie statków kosmicznych jeszcze bardziej kompaktowych i energooszczędnych. Dla agencji kosmicznych, które chcą zbadać Układ Słoneczny (i nie tylko) przy ograniczonym budżecie, taka technologia jest niczym, jeśli nie jest pożądana!
