Når vi tenker på romfart, har vi en tendens til å se på en massiv rakett som sprenges av fra Jorden, med enorme sprengningsstrømmer av ild og røyk som kommer ut fra bunnen, mens den enorme maskinen kjemper for å unnslippe jordens tyngdekraft. Men når et romfartøy har brutt gravitasjonsbåndet med jorden, har vi andre alternativer for å drive dem. Ionframdrift, lenge drømt om i science fiction, brukes nå til å sende sonder og romfartøy på lange reiser gjennom verdensrommet.
NASA begynte å forske på jonframdrift på 1950-tallet. I 1998 ble jonefordrivelsen vellykket brukt som hovedfremdriftssystem på et romfartøy, og drev Deep Space 1 (DS1) på oppdraget til asteroiden 9969 blindeskrift og kometen Borrelly. DS1 ble designet ikke bare for å besøke en asteroide og en komet, men for å teste tolv avanserte teknologier med høy risiko, og blant dem er selve fremdriftssystemet ion.
Ion fremdriftssystemer genererer en liten mengde skyvekraft. Hold ni kvartaler i hånden, kjenn jordens tyngdekraft trekke dem, og du har en ide om hvor lite krefter de genererer. De kan ikke brukes til utsetting av romfartøy fra kropper med sterk tyngdekraft. Styrken deres ligger i å fortsette å generere drivkraft over tid. Dette betyr at de kan oppnå veldig høye topphastigheter. Ion-thrustere kan drive romfartøyer til hastigheter over 320 000 kp / t (200 000 mph), men de må være i drift i lang tid for å oppnå den hastigheten.
Et ion er et atom eller et molekyl som enten har mistet eller fått et elektron, og som derfor har en elektrisk ladning. Så ionisering er prosessen med å gi en ladning til et atom eller et molekyl, ved å legge til eller fjerne elektroner. Når det er ladet, vil et ion vil bevege seg i forhold til et magnetfelt. Det er kjernen i ionedrevene. Men visse atomer er bedre egnet for dette. NASAs ionedrev bruker vanligvis xenon, en inert gass, fordi det ikke er fare for eksplosjon.
I en ionestasjon er ikke xenon et drivstoff. Den er ikke forbrent, og den har ingen iboende egenskaper som gjør den nyttig som drivstoff. Energikilden for en ionedrift må komme fra et annet sted. Denne kilden kan være elektrisitet fra solceller, eller elektrisitet produsert fra forfaltvarme fra et kjernefysisk materiale.
Ioner blir skapt ved å bombardere xenongassen med elektroner med høy energi. Når de er ladet, blir disse ionene trukket gjennom et par elektrostatiske rutenett - kalt linser - av deres ladninger, og blir utvist ut av kammeret og produserer skyvekraft. Denne utladningen kalles ionestrålen, og den injiseres igjen med elektroner for å nøytralisere ladningen. Her er en kort video som viser hvordan ionestasjoner fungerer:
I motsetning til en tradisjonell kjemisk rakett, der skyvkraften er begrenset av hvor mye drivstoff den kan føre og brenne, er drivkraften som genereres av en ionedrift bare begrenset av styrken til den elektriske kilden. Mengden drivmiddel et fartøy kan bære, i dette tilfellet xenon, er en sekundær bekymring. NASAs Dawn-romfartøy brukte bare 10 gram xenon-drivmiddel - det er mindre enn en brus kan - i 27 timers drift.
I teorien er det ingen begrensning for styrken til den elektriske kilden som driver frekvensomformeren, og det arbeides med å utvikle enda kraftigere ionetrustere enn vi har i dag. I 2012 opererte NASAs Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) på 7000 W i over 43.000 timer, sammenlignet med ionedrevet på DS1 som bare brukte 2100w. NEXT, og design som vil overgå det i fremtiden, vil tillate romfartøy å gå på utvidede oppdrag til flere asteroider, kometer, de ytre planetene og månene deres.
Oppdrag som bruker ionepropulsjon inkluderer NASAs Dawn-oppdrag, den japanske Hayabusa-oppdraget til asteroiden 25143 Itokawa, og de kommende ESA-oppdragene Bepicolombo, som skal mot Mercury i 2017, og LISA Pathfinder, som skal studere lavfrekvente gravitasjonsbølger.
Med den konstante forbedringen i ionefremføringssystemer vil denne listen bare vokse.
