Plasmaframdrift er et tema av stor interesse for astronomer og romfartsorganer. Som en svært avansert teknologi som tilbyr betydelig drivstoffeffektivitet i forhold til konvensjonelle kjemiske raketter, brukes den for tiden i alt fra romfartøy og satellitter til undersøkelsesoppdrag. Og med tanke på fremtiden, blir også flytende plasma undersøkt for mer avanserte fremdriftskonsepter, så vel som magnetisk innesperret fusjon.
Imidlertid er et vanlig problem med fremdrift av plasma det faktum at det er avhengig av det som er kjent som en "nøytralisator". Dette instrumentet, som lar romfartøyet forbli ladningsnøytralt, er en ekstra tapp for strøm. Heldigvis undersøker et team av forskere fra University of York og École Polytechnique en plasma-thruster-design som vil fjerne en nøytralisator helt.
En studie som detaljerte forskningsresultatene deres - med tittelen "Transient propagation dynamics of flowing plasma's accelerated by radio-frequent electronic felt" - ble utgitt tidligere denne måneden i Plasmas fysikk - et tidsskrift utgitt av American Institute of Physics. Anført av Dr. James Dendrick, en fysiker fra York Plasma Institute ved University of York, presenterer de et konsept for en selvregulerende plasmastruster.
I utgangspunktet er plasma-fremdriftssystemer avhengige av elektrisk kraft for å ionisere drivgas og transformere den til plasma (dvs. negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner). Disse ionene og elektronene blir deretter akselerert av motordysene for å generere skyvekraft og drive et romskip. Eksempler inkluderer gridded-ion og Hall-effect thruster, som begge er etablerte fremdrifts-teknologier.
Gridden-ion-thrusteren ble først testet på 1960- og 70-tallet som en del av Space Electric Rocket Test (SERT) -programmet. Siden den gang har den blitt brukt av NASAs Soloppgang oppdraget, som for tiden utforsker Ceres i hovedsteroidebeltet. Og i fremtiden planlegger ESA og JAXA å bruke gitterjernstrustere til å drive BepiColombo-oppdraget til Mercury.
Tilsvarende er Hall-effekt-thrustere siden 1960-tallet undersøkt av både NASA og de sovjetiske romprogrammene. De ble først brukt som en del av ESAs oppdrag Small Missions for Advanced Research in Technology-1 (SMART-1). Dette oppdraget, som ble lansert i 2003 og krasjet inn i månens overflate tre år senere, var det første ESA-oppdraget som gikk til Månen.
Som nevnt, romfartøy som bruker disse skyverne krever alle en nøytralisator for å sikre at de forblir "ladningsnøytrale". Dette er nødvendig siden konvensjonelle plasma-thrustere genererer mer positivt ladede partikler enn de som har negativt ladede partikler. Som sådan injiserer nøytralisatorer elektroner (som har en negativ ladning) for å opprettholde balansen mellom positive og negative ioner.
Som du kanskje mistenker, blir disse elektronene generert av romfartøyets elektriske kraftsystemer, noe som betyr at nøytralisatoren er et ekstra avløp for strøm. Tilsetningen av denne komponenten betyr også at fremdriftssystemet i seg selv må være større og tyngre. For å løse dette foreslo teamet fra York / École Polytechnique et design for en plasmastruster som kan forbli ladningsneutral på egen hånd.
Dette konseptet ble kjent som Neptune-motoren, og ble først demonstrert i 2014 av Dmytro Rafalskyi og Ane Aanesland, to forskere fra École Polytechniques Laboratory of Plasma Physics (LPP) og medforfattere i den ferske artikkelen. Som de demonstrerte, bygger konseptet på teknologien som brukes til å lage gitter-ion-thrustere, men klarer å generere eksos som inneholder sammenlignbare mengder positivt og negativt ladede ioner.
Som de forklarer i løpet av studiet:
Designen er basert på prinsippet om plasmakralering, hvor den tilfeldige ekstraksjonen av ioner og elektroner oppnås ved å bruke et svingende elektrisk felt på den raske akselerasjonsoptikken. I tradisjonelle gitter-ion-thrustere akselereres ioner ved å bruke en utpekt spenningskilde for å påføre et likestrøms (elektrisk) felt mellom ekstraksjonsristene. I dette arbeidet dannes en likestyringsspenning når likestrøm (rf) kobles til ekstraksjonsristene på grunn av forskjellen i området til de drevne og jordede overflatene i kontakt med plasma. "
Kort fortalt skaper thrusteren eksos som er effektivt ladningsnøytral gjennom påføring av radiobølger. Dette har den samme effekten av å legge et elektrisk felt til skyvekraften, og fjerner effektivt behovet for en nøytralisator. Som deres studie fant, er Neptune-thrusteren også i stand til å generere skyvekraft som kan sammenlignes med en konvensjonell ionestruster.
For å fremme teknologien enda lenger, slo de seg sammen med James Dedrick og Andrew Gibson fra York Plasma Institute for å studere hvordan thrusteren ville fungere under forskjellige forhold. Med Dedrick og Gibson om bord, begynte de å studere hvordan plasmastrålen kan samhandle med rommet og om dette ville påvirke dens balanserte ladning.
Det de fant var at motorens eksosstråle spilte en stor rolle i å holde bjelken nøytral, der forplantningen av elektroner etter at de ble introdusert ved ekstraksjonsristene fungerer for å kompensere for romladning i plasmastrålen. Som de oppgir i studien:
“[P] hash-oppløst optisk emisjonsspektroskopi har blitt brukt i kombinasjon med elektriske målinger (ion- og elektronenergifordelingsfunksjoner, ion- og elektronstrømmer, og strålepotensial) for å studere kortvarig forplantning av energiske elektroner i et flytende plasma generert av en rf selvforspenningsdrevet plasma-thruster. Resultatene antyder at utbredelsen av elektroner i løpet av intervallet av skjede-kollaps ved ekstraksjonsristene fungerer for å kompensere romladningen i plasmastrålen. ”
Naturligvis understreker de også at ytterligere testing vil være nødvendig før en Neptune-thruster noensinne kan brukes. Men resultatene er oppmuntrende, siden de gir muligheten for ionetrustere som er lettere og mindre, noe som vil gi rom for enda mer kompakte og energieffektive romfartøyer. For romfartsorganer som ønsker å utforske solsystemet (og utover) på et budsjett, er slik teknologi ingenting om ikke ønskelig!
