Kiedy myślimy o podróżach kosmicznych, mamy tendencję do wyobrażania sobie ogromnej rakiety wystrzeliwującej z Ziemi, z ogromnymi strumieniami ognia i dymu wydobywającymi się z dna, gdy ogromna maszyna stara się uciec grawitacji Ziemi. Ale kiedy statek kosmiczny zerwa wiązanie grawitacyjne z Ziemią, mamy inne możliwości zasilenia ich. Napęd jonowy, o którym od dawna marzono w science fiction, służy teraz do wysyłania sond i statków kosmicznych podczas długich podróży w kosmos.
NASA po raz pierwszy rozpoczął badania nad napędem jonowym w latach 50. W 1998 r. Z powodzeniem zastosowano napęd jonowy jako główny układ napędowy statku kosmicznego, zasilając Deep Space 1 (DS1) podczas misji na asteroidę 9969 Braille i kometę Borrelly. DS1 zaprojektowano nie tylko do odwiedzenia asteroidy i komety, ale także do przetestowania dwunastu zaawansowanych technologii wysokiego ryzyka, w tym samego układu napędowego jonów.
Jonowe układy napędowe wytwarzają niewielką siłę ciągu. Trzymaj w ręku dziewięć ćwiartek, poczuj, jak grawitacja Ziemi je przyciąga, i masz pojęcie, jak mały jest ich nacisk. Nie można ich używać do wystrzeliwania statku kosmicznego z ciał o silnej grawitacji. Ich siła polega na dalszym generowaniu ciągu z czasem. Oznacza to, że mogą osiągnąć bardzo wysokie prędkości maksymalne. Pędniki jonowe mogą napędzać statek kosmiczny do prędkości przekraczających 320 000 kp / h (200 000 mil / h), ale muszą one działać przez długi czas, aby osiągnąć tę prędkość.
Jon jest atomem lub cząsteczką, która straciła lub zyskała elektron, a zatem ma ładunek elektryczny. Jonizacja to proces nadawania ładunku atomowi lub cząsteczce poprzez dodawanie lub usuwanie elektronów. Po naładowaniu jon będzie chciał poruszać się w stosunku do pola magnetycznego. To sedno napędów jonowych. Ale niektóre atomy lepiej nadają się do tego. Napędy jonowe NASA zwykle wykorzystują ksenon, gaz obojętny, ponieważ nie ma ryzyka wybuchu.
W napędzie jonowym ksenon nie jest paliwem. Nie jest spalany i nie ma nieodłącznych właściwości, które czynią go przydatnym jako paliwo. Źródło energii dla napędu jonowego musi pochodzić skądinąd. Źródłem tym może być energia elektryczna z ogniw słonecznych lub energia elektryczna wytwarzana z rozpadu ciepła z materiału jądrowego.
Jony powstają przez bombardowanie gazu ksenonowego elektronami o wysokiej energii. Po naładowaniu jony te są przeciągane przez parę siatek elektrostatycznych - zwanych soczewkami - przez swoje ładunki i są usuwane z komory, wytwarzając ciąg. Wyładowanie to nazywa się wiązką jonów i jest ponownie wstrzykiwane elektronami w celu zneutralizowania jego ładunku. Oto krótki film pokazujący działanie napędów jonowych:
W przeciwieństwie do tradycyjnej rakiety chemicznej, w której siła ciągu jest ograniczona przez ilość paliwa, jaką może on przenosić i spalać, siła generowana przez napęd jonowy jest ograniczona jedynie siłą jego źródła elektrycznego. Ilość gazu pędnego, jaką jednostka może przenosić, w tym przypadku ksenon, jest kwestią drugorzędną. Statek kosmiczny NASA Dawn zużył zaledwie 10 uncji paliwa ksenonowego - to mniej niż puszka napoju gazowanego - przez 27 godzin pracy.
Teoretycznie nie ma ograniczeń co do siły źródła prądu zasilającego napęd i trwają prace nad stworzeniem jeszcze silniejszych pędników jonowych niż obecnie. W 2012 roku NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) działał przy 7000 W przez ponad 43 000 godzin, w porównaniu do napędu jonowego w DS1, który zużywał tylko 2100 W. NASTĘPNY i projekty, które go przekroczą w przyszłości, umożliwią statkom kosmicznym wykonywanie długich misji na wiele planetoid, komet, planet zewnętrznych i ich księżyców.
Misje wykorzystujące napęd jonowy obejmują misję NASA Dawn, japońską misję Hayabusa do asteroidy 25143 Itokawa oraz nadchodzące misje ESA Bepicolombo, które udadzą się do Merkurego w 2017 r., Oraz LISA Pathfinder, który będzie badał fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości.
Przy ciągłym doskonaleniu jonowych układów napędowych lista ta będzie się powiększać.
