A plazmahajtás a csillagászok és az űrügynökségek érdeklődésének tárgya. Mint egy rendkívül fejlett technológia, amely jelentős üzemanyag-hatékonyságot kínál a hagyományos vegyi rakétákhoz képest, jelenleg mindenben használják, az űrjárművektől és műholdaktól a felderítő küldetésekig. A jövőt tekintve pedig az áramló plazmát is vizsgálják fejlettebb meghajtási koncepciók, valamint mágneses fúziós fúziók tekintetében.
A plazmahajtás általános problémája azonban az a tény, hogy az úgynevezett „semlegesítőre” támaszkodik. Ez az eszköz, amely lehetővé teszi, hogy az űrhajók töltéssemlegesek maradjanak, további energiafogyasztást jelent. Szerencsére egy kutatócsoport a Yorki Egyetem és az École Polytechnique olyan plazma tolószerkezetet vizsgálnak, amely teljesen megszüntetné a semlegesítőt.
Egy tanulmány, amely részletezi kutatási eredményeiket – a címe „ Rádiófrekvenciás elektromos térrel felgyorsított áramló plazmák tranziens terjedési dinamikája ” – a hónap elején jelent megA plazma fizikája -az American Institute of Physics által kiadott folyóirat. Dr. James Dendrick fizikus vezetésével York Plazma Intézet a York-i Egyetemen egy önszabályozó plazmatoló koncepcióját mutatják be.
Egy 6 kW-os Hall tolómotor üzemel a NASA Jet Propulsion Laboratory-ban. Köszönetnyilvánítás: NASA/JPL
Alapvetően a plazmahajtóművek elektromos energiára támaszkodnak a hajtógáz ionizálására és plazmává (azaz negatív töltésű elektronokká és pozitív töltésű ionokká) történő átalakítására. Ezeket az ionokat és elektronokat ezután a motorfúvókák felgyorsítják, hogy tolóerőt generáljanak, és megmozdítsák az űrhajót. Ilyen például a Gridded-ion és a Hall-effektus tolómotor, mindkettő bevált meghajtási technológia.
A Gridden-ion tolómotort először az 1960-as és 70-es években tesztelték a Űrelektromos rakétateszt (SERT) program. Azóta a NASA használja Hajnalküldetés , amely jelenleg a fő aszteroidaövben található Cerest kutatja. És a jövőben az ESA és a JAXA azt tervezi, hogy rácsos vas tolómotorokat használnak a meghajtására. BepiColombo küldetés a Merkúr felé.
Hasonlóképpen, a NASA és a szovjet űrprogramok is az 1960-as évek óta vizsgálják a Hall-hatású tolómotorokat. Először az ESA részeként használták őket Kis küldetések a fejlett technológiai kutatásért-1 (SMART-1) küldetés. Ez a küldetés, amely 2003-ban indult, és három évvel később a Hold felszínébe csapódott, volt az első ESA-küldetés, amely a Holdra ment.
Mint már említettük, az ezeket a tolómotorokat használó űrjárművek mindegyike semlegesítőt igényel, hogy biztosítsa, hogy „töltéssemlegesek” maradjanak. Erre azért van szükség, mert a hagyományos plazmahajtóművek több pozitív töltésű részecskét termelnek, mint a negatív töltésűek. Mint ilyenek, a semlegesítők elektronokat fecskendeznek be (amelyek negatív töltést hordoznak), hogy fenntartsák a pozitív és negatív ionok közötti egyensúlyt.
Egy művész illusztrációja a NASA Dawn űrszondájáról, amelynek ionhajtóműve megközelíti a Cerest. Köszönetnyilvánítás: NASA/JPL-Caltech.
Amint azt sejtheti, ezeket az elektronokat az űrhajó elektromos energiarendszere állítja elő, ami azt jelenti, hogy a semlegesítő további energiafogyasztást jelent. Ennek az alkatrésznek a hozzáadása azt is jelenti, hogy magának a meghajtórendszernek nagyobbnak és nehezebbnek kell lennie. Ennek megoldására a York/École Polytechnique csapata egy olyan plazma tolóteret javasolt, amely önmagában is töltéssemleges marad..
Ezt a Neptun-motorként ismert koncepciót először 2014-ben mutatta be Dmytro Rafalskyi és Ane Aanesland, az École Polytechnique két kutatója. Plazmafizikai Laboratórium (LPP) és a közelmúltban megjelent cikk társszerzői. Amint azt bemutatták, a koncepció a rácsozott ionos tolómotorok létrehozására használt technológiára épül, de sikerül olyan kipufogógázt generálni, amely összehasonlítható mennyiségű pozitív és negatív töltésű iont tartalmaz.
Ahogyan tanulmányaik során kifejtik:
„Kitervezése a plazmagyorsítás elvén alapul, ahol az ionok és elektronok egybeeső extrakcióját úgy érik el, hogy a rácsos gyorsítóoptikára oszcilláló elektromos mezőt alkalmaznak. A hagyományos rácsozott ionos tolóhajtóművekben az ionokat egy kijelölt feszültségforrás segítségével gyorsítják fel, hogy egyenáramú (egyenáramú) elektromos teret hozzanak létre az elszívó rácsok között. Ebben a munkában egy egyenáramú önelőfeszítő feszültség jön létre, amikor rádiófrekvenciás (rf) tápot kapcsolunk az elszívó rácsokhoz, a plazmával érintkező, táplált és földelt felületek területének különbsége miatt.
A SMART-1 küldetésben használt csarnokhatású tolómotor, amely reakciótömegként xenonra támaszkodott. Copyright: ESA
Röviden: a tolómotor rádióhullámok alkalmazásával hatékonyan töltéssemleges kipufogógázt hoz létre. Ennek ugyanaz a hatása, mintha elektromos mezőt adna a tolóerőhöz, és gyakorlatilag nincs szükség semlegesítőre. Amint azt a tanulmányuk megállapította, a Neptun tolóerő a hagyományos ionhajtóműhöz hasonló tolóerő létrehozására is képes.
A technológia további fejlesztése érdekében James Dedrick-kel és Andrew Gibsonnal, a York Plasma Institute munkatársaival közösen tanulmányozták, hogyan működik a tolóerő különböző körülmények között. Dedrick és Gibson a fedélzeten tanulmányozni kezdték, hogyan léphet kölcsönhatásba a plazmasugár a térrel, és hogy ez befolyásolja-e a kiegyensúlyozott töltését.
Azt találták, hogy a motor kipufogósugara nagy szerepet játszott a nyaláb semleges tartásában, ahol az elektronok terjedése az elszívó rácsokhoz való bejuttatásuk után kompenzálja a plazmanyaláb tértöltését. Ahogy ők állítják tanulmányukban :
„A [P]fázisfelbontású optikai emissziós spektroszkópiát elektromos mérésekkel (ion- és elektronenergia-eloszlási függvények, ion- és elektronáramok és nyalábpotenciál) kombinálva alkalmazták az energetikai elektronok tranziens terjedésének tanulmányozására egy áramló plazmában, amelyet egy rf önelőfeszítéssel hajtott plazmahajtómű. Az eredmények azt sugallják, hogy az elektronok terjedése az extraháló rácsoknál a burok összeomlásának időtartama alatt kompenzálja a tértöltést a plazmasugárban.
Természetesen azt is hangsúlyozzák, hogy további tesztelésre lesz szükség, mielőtt a Neptune tolómotort valaha is használni lehetne. Az eredmények azonban biztatóak, mivel lehetőséget kínálnak könnyebb és kisebb ionhajtóművekre, amelyek még kompaktabb és energiahatékonyabb űrhajókat tesznek lehetővé. Azon űrügynökségek számára, akik költségvetésből szeretnék felfedezni a Naprendszert (és azon túl is), az ilyen technológia semmi, ha nem kívánatos!
További irodalom: A plazmák fizikája , AIP