Плазменото задвижване е обект на голям интерес за астрономите и космическите агенции. Като високо напреднала технология, която предлага значителна икономия на гориво спрямо конвенционалните химически ракети, в момента се използва във всичко - от космически кораби и спътници до изследователски мисии. И гледайки към бъдещето, течаща плазма също се изследва за по-модерни задвижващи концепции, както и за магнитно синтезирано синтезиране.
Често срещан проблем с плазменото задвижване е фактът, че той разчита на това, което е известно като „неутрализатор“. Този инструмент, който позволява на космическите кораби да останат неутрални за зареждане, е допълнително източване на мощността. За щастие, екип от изследователи от Университета на Йорк и École Polytechnique изследват плазмената тръбна конструкция, която напълно ще премахне неутрализатора.
Проучване, в което подробно са открити техните изследвания - озаглавено „Динамика на преходно разпространение на течащи плазми, ускорени от радиочестотни електрически полета“ - беше публикувано по-рано този месец през Физика на плазмите - списание, публикувано от Американския институт по физика. Водени от д-р Джеймс Дендрик, физик от Йоркския институт за плазма в Университета на Йорк, те представят концепция за саморегулираща се плазмена тяга.
По принцип плазмените задвижващи системи разчитат на електрическа енергия, за да йонизират горивния газ и да го трансформират в плазма (т.е. отрицателно заредени електрони и положително заредени йони). След това тези йони и електрони се ускоряват от дюзите на двигателя, за да генерират тяга и задвижват космически кораб. Примерите включват Grusded-йон и Хол-ефект с дросел, като и двата са утвърдени задвижващи технологии.
Gridden-ion thruster за първи път е тестван през 60-те и 70-те години като част от програмата за космически електрически ракети (SERT). Оттогава се използва от НАСА разсъмване мисия, която в момента изследва Церера в Главния астероиден пояс. И в бъдеще ESA и JAXA планират да използват Gridded желязото, за да задвижат своята мисия BepiColombo в Меркурий.
По същия начин, дроселите с ефект на Хол са изследвани от 60-те години и от НАСА, и от съветските космически програми. Те за първи път бяха използвани като част от малките мисии на ESA за напреднали изследвания в технологията-1 (SMART-1). Тази мисия, която стартира през 2003 г. и се разби в лунната повърхност три години по-късно, беше първата мисия на ESA, която отиде на Луната.
Както беше отбелязано, всички космически кораби, които използват тези дросели, изискват неутрализатор, за да гарантират, че те остават „неутрални за зареждане“. Това е необходимо, тъй като конвенционалните плазмени тласкачи генерират по-положително заредени частици, отколкото отрицателно заредените. Като такива неутрализаторите инжектират електрони (които носят отрицателен заряд), за да поддържат баланса между положителните и отрицателните йони.
Както може би подозирате, тези електрони се генерират от електрическите системи на космическия кораб, което означава, че неутрализаторът е допълнително източване на мощността. Добавянето на този компонент също означава, че самата задвижваща система ще трябва да бъде по-голяма и по-тежка. За да се справи с това, екипът на политехниката York / École предложи дизайн на плазмен двигател, който сам може да остане неутрален за зареждане.
Известна като двигател на Нептун, тази концепция е демонстрирана за първи път през 2014 г. от Дмитро Рафалски и Ане Аанесланд, двама изследователи от лабораторията на физиката на плазмата (LPP) на Политехниката на Еколе и съавтори на неотдавнашния документ. Както те демонстрираха, концепцията надгражда технологията, използвана за създаване на решетки с йони, но успява да генерира отработени газове, които съдържат сравними количества положително и отрицателно заредени йони.
Както обясняват в хода на своето проучване:
„Дизайнът му се основава на принципа на плазменото ускорение, при което съвпадащото извличане на йони и електрони се постига чрез прилагане на осцилиращо електрическо поле към оптичната мрежа с ускорение. В традиционните разпръскващи йони задвижвания, йони се ускоряват с помощта на определен източник на напрежение, за да се приложи електрическо поле с постоянен ток (dc) между екстракционните мрежи. В тази работа се създава постоянен ток на самонастраняване, когато силата на радиочестота (rf) се свързва към мрежите за извличане поради разликата в площта на захранваните и заземените повърхности в контакт с плазмата. "
Накратко, тягата създава ауспух, който е ефективно неутрален за заряд чрез прилагане на радиовълни. Това има същия ефект от добавянето на електрическо поле към тягата и ефективно премахва необходимостта от неутрализатор. Както е установено от тяхното проучване, Нептуновият тласкач също е способен да генерира тяга, която е сравнима с конвенционалната йонна тяга.
За да усъвършенстват технологията още повече, те си партнират с Джеймс Дедрик и Андрю Гибсън от Йоркския институт за плазма, за да проучат как ще работи тягата при различни условия. С Дедрик и Гибсън на борда те започнаха да изучават как плазменият лъч може да взаимодейства с космоса и дали това ще се отрази на балансирания му заряд.
Те откриха, че изгорелият лъч на двигателя играе голяма роля за поддържане на лъча неутрален, където разпространението на електрони след въвеждането им в мрежата за извличане действа за компенсиране на заряда в пространството в плазмения лъч. Както заявяват в своето проучване:
„[P] -разрешена оптична емисионна спектроскопия е приложена в комбинация с електрически измервания (йонни и електронни функции на разпределение на енергията, йонни и електронни токове и потенциал на лъча) за изследване на преходното разпространение на енергийни електрони в течаща плазма, генерирана от rf плазмено тяло, управлявано от самоуправление. Резултатите предполагат, че разпространението на електрони по време на интервала на срутване на обвивката в екстракционните решетки действа за компенсиране на пространствения заряд в плазмения лъч. "
Естествено, те също така подчертават, че ще са необходими допълнителни тестове, преди да може някога да бъде използван тласък на Нептун. Резултатите обаче са обнадеждаващи, тъй като предлагат възможността за йонни тласкачи, които са по-леки и по-малки, което би позволило на космически кораби, които са още по-компактни и енергийно ефективни. За космическите агенции, които искат да изследват Слънчевата система (и извън нея) на бюджет, такава технология не е нищо, ако не е желателно!
