Плазмовий рух є предметом активного інтересу астрономів та космічних агентств. Будучи високотехнологічною технологією, яка забезпечує значну економію палива в порівнянні зі звичайними хімічними ракетами, вона зараз використовується у всьому, від космічних кораблів та супутників до розвідувальних місій. І дивлячись у майбутнє, плаваюча плазма також досліджується для більш досконалих концепцій руху, а також для магнітного синтезу.
Однак загальною проблемою плазмового двигуна є той факт, що він спирається на те, що відомо як "нейтралізатор". Цей прилад, який дозволяє космічним апаратам залишатись нейтральними до заряду, є додатковою витратою на потужність. На щастя, команда дослідників з Університету Йорку та Політехніки Еколе досліджує конструкцію плазмових рушників, яка взагалі не дозволить нейтралізатору.
Дослідження, в якому детально описуються їхні дослідження - під назвою "Динаміка поширення перехідних плазм, прискорених радіочастотними електричними полями", було опубліковано на початку цього місяця в Фізика плазми - журнал, виданий Американським інститутом фізики. Під керівництвом доктора Джеймса Дендріка, фізика з Йоркського інституту плазми в Йоркському університеті, вони представляють концепцію саморегулюючого плазмового рушія.
В основному, системи плазмового двигуна покладаються на електроенергію, щоб іонізувати паливний газ і перетворювати його в плазму (тобто негативно заряджені електрони і позитивно заряджені іони). Потім іони та електрони прискорюються форсунками двигуна для створення тяги та приводу космічного корабля. Приклади включають рушій із силою іонного та Холлового ефектів, обидва з них є усталеними технологіями руху.
Двигун із сіткою-іонами вперше був випробуваний у 1960-х та 70-х роках як частина програми космічної електричної ракети (SERT). Відтоді його використовують НАСА Світанок місія, яка зараз вивчає Цереру в Головному поясі астероїдів. І в майбутньому ESA і JAXA планують використовувати дроселі із залізним залізам для запуску своєї місії BepiColombo до Меркурія.
Так само дроселі з ефектом Холла досліджувались з 1960-х років і НАСА, і радянськими космічними програмами. Вони вперше були використані як частина Малих місій ESA для розширених досліджень у галузі технологій-1 (SMART-1). Ця місія, яка була запущена в 2003 році і врізалася в місячну поверхню через три роки, стала першою місією ESA, яка вирушила на Місяць.
Як зазначалося, космічним апаратам, які використовують ці штоки, потрібен нейтралізатор, щоб забезпечити, щоб вони залишалися «нейтральними до заряду». Це необхідно, оскільки звичайні плазмові рушії генерують більш позитивно заряджені частинки, ніж негативно заряджені. Таким чином, нейтралізатори впорскують електрони (які несуть негативний заряд), щоб підтримувати баланс між позитивними та негативними іонами.
Як ви можете підозрювати, ці електрони генеруються електричними системами космічного корабля, а це означає, що нейтралізатор - це додаткове злив енергії. Додавання цього компонента також означає, що сама система двигуна повинна бути більшою і важкою. Для вирішення цього питання команда політехніки York / École запропонувала розробити плазмовий рушій, який може залишатись нейтральним зарядом самостійно.
Ця концепція, відома як двигун Нептуна, вперше була продемонстрована в 2014 році Дмитром Рафальським та Ане Аанесландом, двома дослідниками лабораторії фізики плазми Еколе Політехніки та співавторами недавньої роботи. Як вони продемонстрували, концепція ґрунтується на технології, що використовується для створення рушіїв з сіткими іонами, але вдається генерувати вихлопи, які містять порівнянні кількості позитивно і негативно заряджених іонів.
Як вони пояснюють під час свого дослідження:
«Її конструкція заснована на принципі прискорення плазми, завдяки якому збіг вилучення іонів та електронів досягається шляхом застосування коливального електричного поля до оптики з розгорнутим прискоренням. У традиційних сітчастих іонних виштовхувачах іони прискорюються за допомогою призначеного джерела напруги для застосування електричного поля постійного струму (постійного струму) між витяжними сітками. У цій роботі утворюється постійне напруга постійного зміщення постійного струму, коли потужність радіочастотного (rf) з'єднана з витяжними сітками через різницю площі живлення та заземлених поверхонь, що контактують з плазмою ».
Коротше кажучи, тяга створює вихлоп, який ефективно не заряджається завдяки застосуванню радіохвиль. Це має той же ефект, що додає електричне поле до тяги, і ефективно знімає потребу в нейтралізаторі. Як показало їх дослідження, рушій Нептуна також здатний генерувати тягу, яка порівнянна зі звичайною іонною тягою.
Щоб ще більше просунути технологію, вони об'єдналися з Джеймсом Дедріком та Ендрю Гібсоном з Йоркського інституту плазми, щоб вивчити, як працюватиме тяга при різних умовах. З Дедриком і Гібсоном на борту вони почали вивчати, як плазмовий промінь може взаємодіяти з космосом і чи вплине це на його збалансований заряд.
Вони виявили, що вихлопний промінь двигуна відігравав велику роль у підтримці пучка нейтральним, коли поширення електронів після введення їх у витяжну сітку діє на компенсацію простору заряду в плазмовому пучку. Як вони заявляють у своєму дослідженні:
“[P] розроблена газа оптична емісійна спектроскопія застосовується у поєднанні з електричними вимірюваннями (функції іонного та електронного розподілу енергії, іонні та електронні струми та потенціал пучка) для дослідження перехідного поширення енергетичних електронів у плазмі, що генерується rf плазмовий рушій, керований самоупередженням Отримані результати говорять про те, що поширення електронів під час інтервалу обвалу оболонки на витяжних сітках діє для компенсації простору заряду в плазмовому пучку ».
Природно, вони також підкреслюють, що для того, щоб коли-небудь застосувати рушій Нептуна, потрібні подальші випробування. Але результати обнадіюють, оскільки вони пропонують можливість іонних дроселів легших і менших, що дозволить використовувати космічні апарати, які ще більш компактні та енергоефективні. Для космічних агентств, які прагнуть досліджувати Сонячну систему (і за її межами) за рахунок бюджету, така технологія є нічого, якщо не бажаною!
