Η πρόωση πλάσματος είναι ένα αντικείμενο που ενδιαφέρει τους αστρονόμους και τους διαστημικούς οργανισμούς. Ως μια εξαιρετικά προηγμένη τεχνολογία που προσφέρει σημαντική απόδοση καυσίμου σε σχέση με τους συμβατικούς χημικούς πυραύλους, αυτή τη στιγμή χρησιμοποιείται σε όλα, από διαστημικά σκάφη και δορυφόρους έως εξερευνητικές αποστολές. Και κοιτάζοντας το μέλλον, το ρέον πλάσμα διερευνάται επίσης για πιο προηγμένες ιδέες πρόωσης, καθώς και για μαγνητική περιορισμένη σύντηξη.
Ωστόσο, ένα κοινό πρόβλημα με την πρόωση πλάσματος είναι το γεγονός ότι βασίζεται σε αυτό που είναι γνωστό ως «εξουδετερωτής». Αυτό το όργανο, το οποίο επιτρέπει στο διαστημικό σκάφος να παραμείνει ουδέτερο ως προς το φορτίο, είναι μια επιπλέον εξάντληση της ισχύος. Ευτυχώς, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Υόρκης και η École Polytechnique ερευνούν ένα σχεδιασμό πλάσματος πλάσματος που θα καταργούσε εντελώς έναν εξουδετερωτή.
Μια μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς τα ερευνητικά της ευρήματα - με τίτλο «Μεταβατική δυναμική διάδοσης των ρέοντων πλασμάτων που επιταχύνονται από ηλεκτρικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων» - κυκλοφόρησε στις αρχές του μήνα Φυσική του Πλάσματος - ένα περιοδικό που δημοσιεύθηκε από το Αμερικανικό Ινστιτούτο Φυσικής. Με επικεφαλής τον Δρ. James Dendrick, φυσικό από το Ινστιτούτο Πλάσμα York στο Πανεπιστήμιο της Υόρκης, παρουσιάζουν μια ιδέα για μια αυτορυθμιζόμενη ώθηση πλάσματος.
Βασικά, τα συστήματα προώθησης πλάσματος βασίζονται σε ηλεκτρική ισχύ για να ιονίσουν προωθητικό αέριο και να το μετατρέψουν σε πλάσμα (δηλαδή αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα ιόντα). Αυτά τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια επιταχύνονται από τα ακροφύσια του κινητήρα για να παράγουν ώθηση και να προωθούν ένα διαστημικό σκάφος. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το Gridded-ion και Hall-effect thruster, και τα δύο είναι καθιερωμένες τεχνολογίες πρόωσης.
Το Gridden-ion thruster δοκιμάστηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1960 και του 70 ως μέρος του προγράμματος Space Electric Rocket Test (SERT). Από τότε, έχει χρησιμοποιηθεί από τη NASA Αυγή αποστολή, η οποία εξερευνά επί του παρόντος Ceres στην κύρια ζώνη αστεροειδών. Και στο μέλλον, η ESA και η JAXA σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν προωθητήρες σιδήρου με πλέγμα για να ωθήσουν την αποστολή τους BepiColombo στον Mercury.
Ομοίως, οι προωθητές Hall-effect έχουν διερευνηθεί από τη δεκαετία του 1960 τόσο από τη NASA όσο και από τα σοβιετικά διαστημικά προγράμματα. Χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά ως μέρος της αποστολής του ESA για τις Μικρές Αποστολές για Προηγμένη Έρευνα στην Τεχνολογία-1 (SMART-1). Αυτή η αποστολή, η οποία ξεκίνησε το 2003 και έπεσε στη σεληνιακή επιφάνεια τρία χρόνια αργότερα, ήταν η πρώτη αποστολή ESA που πήγε στη Σελήνη.
Όπως σημειώθηκε, τα διαστημικά σκάφη που χρησιμοποιούν αυτούς τους προωθητές απαιτούν εξουδετερωτικό για να διασφαλίσουν ότι παραμένουν «ουδέτερα ως προς το φορτίο». Αυτό είναι απαραίτητο δεδομένου ότι οι συμβατικοί προωθητές πλάσματος παράγουν σωματίδια θετικότερα φορτισμένα από αυτά που έχουν αρνητικά φορτισμένα. Ως εκ τούτου, οι ουδετεροποιητές εγχέουν ηλεκτρόνια (τα οποία φέρουν αρνητικό φορτίο) προκειμένου να διατηρηθεί η ισορροπία μεταξύ θετικών και αρνητικών ιόντων.
Όπως ίσως υποψιάζεστε, αυτά τα ηλεκτρόνια παράγονται από τα συστήματα ηλεκτρικής ισχύος του διαστημικού σκάφους, πράγμα που σημαίνει ότι ο εξουδετερωτής είναι μια επιπλέον αποστράγγιση ισχύος. Η προσθήκη αυτού του συστατικού σημαίνει επίσης ότι το ίδιο το σύστημα πρόωσης θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο και βαρύτερο. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η ομάδα της York / École Polytechnique πρότεινε ένα σχέδιο για ένα πλάσμα πλάσματος που μπορεί να παραμείνει ουδέτερο φορτίο από μόνο του.
Γνωστή ως η μηχανή του Ποσειδώνα, αυτή η ιδέα παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 2014 από τους Dmytro Rafalskyi και Ane Aanesland, δύο ερευνητές από το Εργαστήριο Φυσικής Πλασμάτων (LPP) της École Polytechnique και συν-συγγραφείς στο πρόσφατο άρθρο. Όπως έδειξαν, η ιδέα βασίζεται στην τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία προωθητικών ιόντων με πλέγμα, αλλά καταφέρνει να παράγει καυσαέρια που περιέχουν συγκρίσιμες ποσότητες θετικών και αρνητικά φορτισμένων ιόντων.
Όπως εξηγούν κατά τη διάρκεια της μελέτης τους:
«Ο σχεδιασμός του βασίζεται στην αρχή της επιτάχυνσης πλάσματος, σύμφωνα με την οποία η ταυτόχρονη εξαγωγή ιόντων και ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο στα οπτικά επιτάχυνσης με πλέγμα. Σε παραδοσιακούς προωθητές ιόντων πλέγματος, τα ιόντα επιταχύνονται χρησιμοποιώντας μια καθορισμένη πηγή τάσης για την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου συνεχούς ρεύματος (dc) μεταξύ των δικτύων εξαγωγής. Σε αυτήν την εργασία, δημιουργείται τάση αυτο-πόλωσης dc όταν η ισχύς ραδιοσυχνοτήτων (rf) συνδέεται με τα δίκτυα εξαγωγής λόγω της διαφοράς στην περιοχή των ηλεκτρικών και γειωμένων επιφανειών σε επαφή με το πλάσμα. "
Εν ολίγοις, το thruster δημιουργεί εξάτμιση που είναι ουσιαστικά ουδέτερη ως προς τη φόρτιση μέσω της εφαρμογής ραδιοκυμάτων. Αυτό έχει το ίδιο αποτέλεσμα με την προσθήκη ηλεκτρικού πεδίου στην ώθηση, και αφαιρεί αποτελεσματικά την ανάγκη για εξουδετερωτικό. Όπως διαπίστωσε η μελέτη τους, το Neptune thruster είναι επίσης ικανό να παράγει ώθηση που είναι συγκρίσιμη με μια συμβατική ιοντική ώθηση.
Για να προωθήσουν ακόμη περισσότερο την τεχνολογία, συνεργάστηκαν με τους James Dedrick και Andrew Gibson από το York Plasma Institute για να μελετήσουν πώς θα λειτουργούσε το thruster υπό διαφορετικές συνθήκες. Με τους Dedrick και Gibson, άρχισαν να μελετούν πώς η δέσμη πλάσματος μπορεί να αλληλεπιδράσει με το διάστημα και αν αυτό θα επηρεάσει την ισορροπημένη φόρτιση.
Αυτό που βρήκαν ήταν ότι η δέσμη εξάτμισης του κινητήρα έπαιξε μεγάλο ρόλο στη διατήρηση της δέσμης ουδέτερη, όπου η διάδοση των ηλεκτρονίων μετά την εισαγωγή τους στα πλέγματα εξαγωγής ενεργεί για την αντιστάθμιση του φορτίου χώρου στη δέσμη πλάσματος. Όπως δηλώνουν στη μελέτη τους:
«Η φασματοσκοπία οπτικής εκπομπής [P] έχει επιλυθεί σε συνδυασμό με ηλεκτρικές μετρήσεις (συναρτήσεις διανομής ενέργειας ιόντων και ηλεκτρονίων, ρεύματα ιόντων και ηλεκτρονίων και δυναμικό δέσμης) για τη μελέτη της παροδικής διάδοσης ενεργητικών ηλεκτρονίων σε ρέον πλάσμα που παράγεται από rf Αυτοπροσανατολισμένη ώθηση πλάσματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η διάδοση ηλεκτρονίων κατά το διάστημα της κατάρρευσης της θήκης στα πλέγματα εξαγωγής δρα για να αντισταθμίσει το φορτίο χώρου στη δέσμη πλάσματος. "
Φυσικά, υπογραμμίζουν επίσης ότι θα απαιτηθούν περαιτέρω δοκιμές για να μπορέσει ποτέ να χρησιμοποιηθεί ένα Neptune thruster. Αλλά τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, δεδομένου ότι προσφέρουν τη δυνατότητα των προωθητών ιόντων που είναι ελαφρύτεροι και μικρότεροι, κάτι που θα επέτρεπε στα διαστημόπλοια που είναι ακόμα πιο συμπαγή και ενεργειακά αποδοτικά. Για διαστημικά γραφεία που επιθυμούν να εξερευνήσουν το Ηλιακό Σύστημα (και πέραν αυτού) με προϋπολογισμό, τέτοια τεχνολογία δεν είναι τίποτα αν δεν είναι επιθυμητή!
