Όταν σκεφτόμαστε τα διαστημικά ταξίδια, τείνουμε να φαντάζουμε έναν τεράστιο πύραυλο να εκρήγνυται από τη Γη, με τεράστιες ροές φωτιάς και καπνού που βγαίνουν από το κάτω μέρος, καθώς η τεράστια μηχανή παλεύει να ξεφύγει από τη βαρύτητα της Γης. Αλλά όταν ένα διαστημικό σκάφος σπάσει το βαρυτικό του δεσμό με τη Γη, έχουμε άλλες επιλογές για να τα τροφοδοτήσουμε. Η πρόωση ιόντων, που ονειρεύτηκε εδώ και καιρό στην επιστημονική φαντασία, χρησιμοποιείται τώρα για την αποστολή ανιχνευτών και διαστημικών σκαφών σε μεγάλα ταξίδια μέσω του διαστήματος.
Η NASA ξεκίνησε για πρώτη φορά να ερευνά την πρόωση ιόντων στη δεκαετία του 1950. Το 1998, η πρόωση ιόντων χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς ως το κύριο σύστημα προώθησης σε ένα διαστημικό σκάφος, τροφοδοτώντας το Deep Space 1 (DS1) στην αποστολή του στον αστεροειδή 9969 Braille και τον Comet Borrelly. Το DS1 σχεδιάστηκε όχι μόνο για να επισκεφτεί έναν αστεροειδή και έναν κομήτη, αλλά και για να δοκιμάσει δώδεκα προηγμένες τεχνολογίες υψηλού κινδύνου, που κυριαρχούν μεταξύ τους στο ίδιο το σύστημα πρόωσης ιόντων.
Τα συστήματα πρόωσης ιόντων παράγουν μια μικρή ποσότητα ώσης. Κρατήστε εννέα τέταρτα στο χέρι σας, νιώστε τη βαρύτητα της Γης να τους τραβήξει και έχετε μια ιδέα πόσο μικρή ώθηση δημιουργούν. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτόξευση διαστημικού σκάφους από σώματα με ισχυρή βαρύτητα. Η δύναμή τους έγκειται στο να συνεχίζει να δημιουργεί ώθηση με την πάροδο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να επιτύχουν πολύ υψηλές ταχύτητες. Οι προωθητές ιόντων μπορούν να ωθήσουν το διαστημικό σκάφος σε ταχύτητες άνω των 320.000 kp / h (200.000 mph), αλλά πρέπει να λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα για να επιτευχθεί αυτή η ταχύτητα.
Ένα ιόν είναι ένα άτομο ή ένα μόριο που είτε έχει χάσει είτε αποκτήσει ένα ηλεκτρόνιο, και επομένως έχει ένα ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι ο ιονισμός είναι η διαδικασία παροχής ενός φορτίου σε ένα άτομο ή ένα μόριο, προσθέτοντας ή αφαιρώντας ηλεκτρόνια. Μόλις φορτιστεί, ένα ιόν θα θέλει να κινηθεί σε σχέση με ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό βρίσκεται στην καρδιά των ιόντων. Αλλά ορισμένα άτομα ταιριάζουν καλύτερα σε αυτό. Οι μονάδες ιόντων της NASA χρησιμοποιούν συνήθως ξένον, ένα αδρανές αέριο, επειδή δεν υπάρχει κίνδυνος έκρηξης.
Σε μια κίνηση ιόντων, το ξένον δεν είναι καύσιμο. Δεν καίγεται και δεν έχει εγγενείς ιδιότητες που το καθιστούν χρήσιμο ως καύσιμο. Η πηγή ενέργειας για μια κίνηση ιόντων πρέπει να προέρχεται από κάπου αλλού. Αυτή η πηγή μπορεί να είναι ηλεκτρισμός από ηλιακά κύτταρα ή ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από θερμότητα αποσύνθεσης από πυρηνικό υλικό.
Τα ιόντα δημιουργούνται βομβαρδίζοντας το αέριο ξένον με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Μόλις φορτιστούν, αυτά τα ιόντα τραβιούνται μέσω ενός ζεύγους ηλεκτροστατικών πλεγμάτων - που ονομάζονται φακοί - από τα φορτία τους, και αποβάλλονται από τον θάλαμο, παράγοντας ώθηση. Αυτή η εκφόρτιση ονομάζεται δέσμη ιόντων και εγχύεται πάλι με ηλεκτρόνια, για να εξουδετερώσει το φορτίο της. Ακολουθεί ένα σύντομο βίντεο που δείχνει πώς λειτουργούν οι μονάδες ιόντων:
Σε αντίθεση με έναν παραδοσιακό χημικό πύραυλο, όπου η ώσή του περιορίζεται από το πόσιμο καύσιμο που μπορεί να μεταφέρει και να κάψει, η ώθηση που παράγεται από μια κίνηση ιόντων περιορίζεται μόνο από την ισχύ της ηλεκτρικής του πηγής. Η ποσότητα του προωθητικού που μπορεί να μεταφέρει ένα σκάφος, στην περίπτωση αυτή το ξένον, αποτελεί δευτερεύον μέλημα. Το διαστημικό σκάφος Dawn της NASA χρησιμοποίησε μόνο 10 ουγγιές προωθητικού ξένου - δηλαδή λιγότερο από ένα δοχείο σόδας - για 27 ώρες λειτουργίας.
Θεωρητικά, δεν υπάρχει όριο στην ισχύ της ηλεκτρικής πηγής που τροφοδοτεί τη μονάδα δίσκου, και γίνεται εργασία για την ανάπτυξη ακόμη πιο ισχυρών προωθητών ιόντων από ό, τι έχουμε σήμερα. Το 2012, το Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) της NASA λειτούργησε στα 7000w για πάνω από 43.000 ώρες, σε σύγκριση με τη μονάδα ιόντων στο DS1 που χρησιμοποίησε μόνο 2100w. ΕΠΟΜΕΝΑ, και σχέδια που θα το ξεπεράσουν στο μέλλον, θα επιτρέψουν στο διαστημικό σκάφος να κάνει εκτεταμένες αποστολές σε πολλούς αστεροειδείς, κομήτες, τους εξωτερικούς πλανήτες και τα φεγγάρια τους.
Οι αποστολές που χρησιμοποιούν ιόντα πρόωσης περιλαμβάνουν την αποστολή Dawn της NASA, την ιαπωνική αποστολή Hayabusa στον αστεροειδή 25143 Itokawa και τις επερχόμενες αποστολές Bepicolombo της ESA, η οποία θα κατευθυνθεί προς τον Ερμή το 2017 και η LISA Pathfinder, η οποία θα μελετήσει τα κύματα βαρύτητας χαμηλής συχνότητας.
Με τη συνεχή βελτίωση των συστημάτων πρόωσης ιόντων, αυτή η λίστα θα αναπτυχθεί μόνο.
