Propulsia plasmatică este un subiect de interes intens pentru astronomi și agenții spațiale. Fiind o tehnologie extrem de avansată, care oferă o eficiență considerabilă în materie de combustibil față de rachetele chimice convenționale, aceasta este utilizată în prezent, de la toate navele spațiale și sateliții la misiunile de explorare. Iar spre viitor, plasma care curge este, de asemenea, investigată pentru concepte de propulsie mai avansate, precum și pentru fuziune confinată magnetic.
Cu toate acestea, o problemă comună cu propulsia plasmatică este faptul că se bazează pe ceea ce este cunoscut drept „neutralizator”. Acest instrument, care permite navei spațiale să rămână neutre la sarcină, este o scurgere suplimentară la putere. Din fericire, o echipă de cercetători de la Universitatea din York și École Polytechnique investighează un design de propulsor cu plasmă care ar elimina cu totul un neutralizator.
Un studiu care detaliază rezultatele cercetărilor lor - intitulat „Dinamica de propagare tranzitorie a plasmelor curgătoare accelerate de câmpurile electrice cu frecvență radio” - a fost lansat la începutul acestei luni în Fizica plasmelor - o revistă publicată de Institutul American de Fizică. Condusă de dr. James Dendrick, fizician de la Institutul de plasmă din York la Universitatea din York, aceștia prezintă un concept pentru un propulsor de plasmă autoreglabil.
Practic, sistemele de propulsie cu plasmă se bazează pe energia electrică pentru ionizarea gazului propulsor și transformarea acestuia în plasmă (adică electroni încărcați negativ și ioni încărcați pozitiv). Acești ioni și electroni sunt apoi accelerați prin duze de motor pentru a genera împingerea și propulsarea unei nave spațiale. Exemplele includ propulsoarele cu efect Gridded-ion și Hall, ambele tehnologii de propulsie consacrate.
Propulsorul cu ioni Gridden a fost testat pentru prima dată în anii ’60 -’70, ca parte a programului Space Electric Rocket Test (SERT). De atunci, a fost folosit de către NASA zori de zi misiune, care în prezent explorează Ceres în Centura Asteroidului Principal. Și în viitor, ESA și JAXA intenționează să folosească propulsoare din fier gridded pentru a-și propulsa misiunea BepiColombo în Mercur.
În mod similar, propulsoarele cu efect Hall au fost cercetate încă din anii ’60, atât de către programele spațiale sovietice de la NASA, cât și de cele sovietice. Acestea au fost utilizate pentru prima dată ca parte a misiunii ESA pentru misiuni mici pentru cercetare avansată în tehnologie-1 (SMART-1). Această misiune, lansată în 2003 și prăbușită pe suprafața lunară, trei ani mai târziu, a fost prima misiune ESA care a mers pe Lună.
După cum s-a menționat, navele spațiale care folosesc aceste propulsoare necesită toate un neutralizator pentru a se asigura că rămân „neutre de încărcare”. Acest lucru este necesar, deoarece propulsoarele de plasmă convenționale generează mai multe particule încărcate pozitiv decât cele cu sarcină negativă. Ca atare, neutralizatoarele injectează electroni (care au o sarcină negativă) pentru a menține echilibrul între ioni pozitivi și negativi.
După cum puteți suspecta, acești electroni sunt generați de sistemele electrice ale navei spațiale, ceea ce înseamnă că neutralizatorul este o scurgere suplimentară a puterii. Adăugarea acestei componente înseamnă, de asemenea, că sistemul de propulsie va trebui să fie mai mare și mai greu. Pentru a rezolva acest lucru, echipa Polytechnique din York / École a propus un proiect pentru un propulsor cu plasmă care poate rămâne neutru de încărcare pe cont propriu.
Cunoscut drept motorul Neptun, acest concept a fost demonstrat pentru prima dată în 2014 de către Dmytro Rafalskyi și Ane Aanesland, doi cercetători ai Laboratorului de fizică plasmatică (LPP) de la École Polytechnique și co-autori ai lucrării recente. După cum au demonstrat, conceptul se bazează pe tehnologia folosită pentru crearea de propulsoare cu ioni grăbit, dar reușește să genereze evacuare care conține cantități comparabile de ioni încărcați pozitiv și negativ.
După cum explică în cursul studiului lor:
„Proiectarea sa se bazează pe principiul accelerației plasmatice, prin care extracția coincidentă de ioni și electroni se realizează prin aplicarea unui câmp electric oscilant opticii de accelerație grilate. În propulsoarele cu țevi tradiționale, ionii sunt accelerate folosind o sursă de tensiune desemnată pentru a aplica un câmp electric cu curent continuu (cc) între rețelele de extracție. În această lucrare, o tensiune de curent continuu este formată atunci când puterea de radiofrecvență (rf) este cuplată la rețelele de extracție, datorită diferenței de suprafață a suprafețelor alimentate și împământate în contact cu plasma. "
Pe scurt, propulsorul creează o evacuare care este eficient neutru de încărcare prin aplicarea undelor radio. Acest lucru are același efect de a adăuga un câmp electric la tracțiune și de a elimina efectiv nevoia de neutralizator. După cum a descoperit studiul lor, propulsorul Neptun este, de asemenea, capabil să genereze o împingere care este comparabilă cu un propulsor ionic convențional.
Pentru a avansa tehnologia și mai mult, au făcut echipă cu James Dedrick și Andrew Gibson de la Institutul Plasmelor din York pentru a studia modul în care funcționează propulsoarea în diferite condiții. Cu Dedrick și Gibson la bord, au început să studieze modul în care fasciculul plasmatic ar putea interacționa cu spațiul și dacă acest lucru ar afecta încărcarea echilibrată a acestuia.
Ceea ce au descoperit a fost că fasciculul de evacuare al motorului a jucat un rol important în menținerea fasciculului neutru, în cazul în care propagarea electronilor după ce sunt introduși la rețelele de extracție are rolul de a compensa încărcarea spațiului în fasciculul cu plasmă. După cum afirmă în studiul lor:
„Spectroscopia de emisie optică cu rezoluție de [P] a fost aplicată în combinație cu măsurători electrice (funcții de distribuție a energiei ionice și electronice, curenți de ioni și electroni și potențial de fascicul) pentru a studia propagarea trecătoare a electronilor energetici într-o plasmă curgătoare generată de o rf propulsor plasmatic condus cu auto-prejudecată. Rezultatele sugerează că propagarea electronilor în perioada de colaps a tecii la rețelele de extracție acționează pentru a compensa încărcarea spațiului în fasciculul plasmatic. "
În mod natural, ei subliniază, de asemenea, că vor fi necesare teste suplimentare înainte de a putea fi folosit vreodată o propulsor Neptun. Dar rezultatele sunt încurajatoare, deoarece oferă posibilitatea unor propulsoare cu ioni mai ușoare și mai mici, ceea ce ar permite navele spațiale și mai compacte și mai eficiente din punct de vedere energetic. Pentru agențiile spațiale care doresc să exploreze Sistemul Solar (și nu numai) cu un buget, o astfel de tehnologie nu este nimic, dacă nu este de dorit!
