Plazmový pohon je předmětem velkého zájmu astronomů a kosmických agentur. Jako vysoce vyspělá technologie, která nabízí značnou úsporu paliva oproti konvenčním chemickým raketám, se v současnosti používá ve všem, od kosmických lodí a satelitů po průzkumné mise. A při pohledu do budoucnosti je proudící plazma také zkoumána pro vyspělejší koncepty pohonu a pro magneticky omezenou fúzi.
Častým problémem s plazmovým pohonem je však skutečnost, že se spoléhá na to, co se nazývá „neutralizátor“. Tento nástroj, který umožňuje kosmické lodi zůstat neutrální vůči náboji, je dalším odtokem energie. Naštěstí tým vědců z University of York a École Polytechnique zkoumají konstrukci plazmového paliva, která by zcela zneškodnila neutralizátor.
Začátkem tohoto měsíce byla vydána studie podrobně popisující výsledky jejich výzkumu - nazvaná „Přechodná dynamika šíření tekoucích plazmatů urychlených vysokofrekvenčními elektrickými poli“. Fyzika plazmatu - časopis vydávaný americkým fyzikálním institutem. James Dendrick, fyzik z York Plasma Institute na University of York, představují koncept samoregulačního plazmového thrusteru.
Plazmové pohonné systémy se v zásadě spoléhají na elektrickou energii k ionizaci hnacího plynu a jeho přeměně na plazmu (tj. Záporně nabité elektrony a kladně nabité ionty). Tyto ionty a elektrony jsou pak urychlovány tryskami motoru, aby se vytvořil tah a poháněla kosmická loď. Příklady zahrnují Gridded-iont a Hall-efektový thruster, oba který jsou zavedené pohonné technologie.
Hnací mechanismus Gridden-ion byl poprvé testován v 60. a 70. letech jako součást programu SERT (Space Electric Rocket Test). Od té doby je používán NASA Svítání mise, která v současné době zkoumá Ceres v hlavním asteroidním pásu. A v budoucnu ESA a JAXA plánují použít poháněče Gridded-Iron k pohonu své mise BepiColombo na Merkur.
Podobně byly od 60. let 20. století vyšetřovány haly s efektem Hall-Effect jak NASA, tak sovětskými vesmírnými programy. Nejprve byly použity jako součást mise ESA Small Missions pro pokročilý výzkum v technologii-1 (SMART-1). Tato mise, která byla zahájena v roce 2003 a narazila na lunární povrch o tři roky později, byla první misí ESA, která šla na Měsíc.
Jak již bylo uvedeno, všechny kosmické lodě, které používají tyto poháněče, vyžadují neutralizátor, aby zajistily, že zůstanou „neutrální vůči náboji“. To je nutné, protože konvenční plazmové trysky vytvářejí pozitivně nabité částice než negativně nabité částice. Proto neutralizátory vstřikují elektrony (které nesou záporný náboj), aby udržely rovnováhu mezi kladnými a zápornými ionty.
Jak můžete mít podezření, tyto elektrony jsou generovány elektrickými systémy kosmické lodi, což znamená, že neutralizátor je další odtok energie. Přidání této komponenty také znamená, že samotný pohonný systém bude muset být větší a těžší. Za tímto účelem tým York / École Polytechnique navrhl konstrukci plazmového paliva, které může zůstat samo o sobě neutrální.
Tento koncept, známý jako Neptunův motor, poprvé demonstroval v roce 2014 Dmytro Rafalskyi a Ane Aanesland, dva vědci z laboratoře fyziky plazmatu École Polytechnique (LPP) a spoluautoři na nedávném příspěvku. Jak demonstrovali, koncept vychází z technologie použité k vytvoření mřížkových iontových pohonů, ale dokáže generovat výfuk, který obsahuje srovnatelné množství pozitivně a negativně nabitých iontů.
Jak vysvětlují v průběhu studia:
„Jeho konstrukce je založena na principu zrychlení plazmy, přičemž shodné extrakce iontů a elektronů je dosaženo aplikací oscilačního elektrického pole na mřížkovou optiku zrychlení. V tradičních mřížkových iontových pohonech jsou ionty urychlovány pomocí určeného zdroje napětí, aby mezi extrakční mřížky aplikovalo stejnosměrné (dc) elektrické pole. V této práci se vytváří stejnosměrné stejnosměrné napětí, když je vysokofrekvenční (rf) výkon připojen k extrakčním sítím kvůli rozdílu v oblasti napájených a uzemněných povrchů, které jsou ve styku s plazmou. “
Stručně řečeno, raketa vytváří výfuk, který je účinně neutrální vůči nábojům prostřednictvím aplikace rádiových vln. To má stejný účinek jako přidání elektrického pole k tahu a účinně to eliminuje potřebu neutralizátoru. Jak jejich studie zjistila, Neptunův rakev je také schopen generovat tah, který je srovnatelný s konvenčním iontovým raketem.
Aby mohli technologii dále rozvíjet, spojili se s Jamesem Dedrickem a Andrewem Gibsonem z York Plasma Institute, aby studovali, jak bude thruster fungovat za různých podmínek. S Dedrickem a Gibsonem na palubě začali studovat, jak může plazmový paprsek interagovat s vesmírem a zda to ovlivní jeho vyvážený náboj.
Zjistili, že výfukový paprsek motoru hraje velkou roli při udržování neutrálního paprsku, kde šíření elektronů poté, co jsou zavedeny do extrakčních sítí, působí jako kompenzace prostorového náboje v plazmovém paprsku. Jak uvádějí ve své studii:
„[P] hase-vyřešená optická emisní spektroskopie byla použita v kombinaci s elektrickými měřeními (funkce distribuce iontové a elektronové energie, iontové a elektronové proudy a potenciál paprsku) ke studiu přechodného šíření energetických elektronů v tekoucí plazmě generované rf self-bias řízený plazmový pohon. Výsledky naznačují, že šíření elektronů během intervalu zhroucení pouzdra v extrakčních sítích působí jako kompenzace prostorového náboje v plazmovém paprsku. “
Přirozeně také zdůrazňují, že před tím, než bude moci být použit neptunový thruster, bude zapotřebí dalších testů. Výsledky jsou však povzbudivé, protože nabízejí možnost lehčích a menších ionizátorů, které by umožnily ještě kompaktnější a energeticky účinnější kosmické lodě. Pro kosmické agentury, které chtějí prozkoumat sluneční soustavu (a dále) za rozpočet, není taková technologie nic, pokud není žádoucí!
