Plasmadrivning är ett ämne av stort intresse för astronomer och rymdbyråer. Som en mycket avancerad teknik som erbjuder betydande bränsleeffektivitet jämfört med konventionella kemiska raketer, används den för närvarande i allt från rymdskepp och satelliter till undersökningsuppdrag. Och med tanke på framtiden undersöks också strömmande plasma för mer avancerade framdrivningskoncept, liksom magnetisk begränsad fusion.
Men ett vanligt problem med plasmaframdrivning är det faktum att det förlitar sig på det som kallas ”neutralisator”. Detta instrument, som gör det möjligt för rymdskepp att förbli laddningsneutral, är en extra strömavbränning. Lyckligtvis undersöker ett team av forskare från University of York och École Polytechnique en plasma-thruster-design som helt skulle avskaffa en neutralisator.
En studie som beskriver deras forskningsresultat - med titeln "Transient propagations dynamics of flowing plasma's accelerated by radio-frequent electr felt" - släpptes tidigare denna månad i Plasmas fysik - en tidskrift publicerad av American Institute of Physics. Ledd av Dr. James Dendrick, en fysiker från York Plasma Institute vid University of York, presenterar de ett koncept för en självreglerande plasmastruster.
I grund och botten litar framdrivningssystem på plasma på elektrisk kraft för att jonisera drivgas och omvandla den till plasma (dvs. negativt laddade elektroner och positivt laddade joner). Dessa joner och elektroner accelereras sedan av munstyckena för att generera drivkraft och driva ett rymdskepp. Exempel inkluderar thrusteren Gridded-ion och Hall-effect, som båda är etablerade framdrivningsteknologier.
Gridden-ion thruster testades först på 1960- och 70-talet som en del av programmet Space Electric Rocket Test (SERT). Sedan dess har den använts av NASA: s Gryning uppdrag, som för närvarande utforskar Ceres i Main Asteroid Belt. Och i framtiden planerar ESA och JAXA att använda spolar med gräddjärn för att driva deras BepiColombo-uppdrag till Mercury.
På liknande sätt har Hall-effekt-thrusterar undersökts sedan 1960-talet av både NASA och de sovjetiska rymdprogrammen. De användes först som en del av ESA: s uppdrag Small Mission for Advanced Research in Technology-1 (SMART-1). Detta uppdrag, som lanserades 2003 och kraschade in i månens yta tre år senare, var det första ESA-uppdraget som gick till månen.
Som nämnts kräver rymdfarkoster som använder dessa thrusterar en neutralisator för att säkerställa att de förblir "laddningsneutrala". Detta är nödvändigt eftersom konventionella plasmastrustare genererar mer positivt laddade partiklar än de gör negativt laddade. Som sådan injicerar neutralisatorer elektroner (som har en negativ laddning) för att bibehålla balansen mellan positiva och negativa joner.
Som du kanske misstänker, genereras dessa elektroner av rymdskeppets elektriska kraftsystem, vilket innebär att neutralisatorn är en extra strömavbränning. Tillsatsen av denna komponent innebär också att själva framdrivningssystemet måste vara större och tyngre. För att hantera detta föreslog teamet från York / École Polytechnique en design för en plasmastruster som kan förbli laddningsneutral på egen hand.
Känd som Neptune-motorn, och detta koncept demonstrerades först 2014 av Dmytro Rafalskyi och Ane Aanesland, två forskare från École Polytechniques laboratorium för plasmafysik (LPP) och medförfattare till det senaste tidningen. Som de demonstrerade bygger konceptet på den teknik som används för att skapa grind-ion-thrusterar, men lyckas generera avgaser som innehåller jämförbara mängder positivt och negativt laddade joner.
Som de förklarar under studiens gång:
”Dess design är baserad på principen om plasmaceracceleration, varigenom den sammanfallande extraktionen av joner och elektroner uppnås genom att applicera ett oscillerande elektriskt fält på den gridade accelerationsoptiken. I traditionella grindade-jon-thrusterar accelereras joner med hjälp av en utsedd spänningskälla för att applicera ett likström (dc) elektriskt fält mellan extraktionsgallerna. I detta arbete bildas en jämn självförspänningsspänning när radiofrekvenseffekten (rf) kopplas till extraktionsnäten på grund av skillnaden i området för de drivna och jordade ytorna i kontakt med plasma. "
Kort sagt, thrusteren skapar avgaser som är effektivt laddningsneutrala genom applicering av radiovågor. Detta har samma effekt att lägga till ett elektriskt fält till drivkraften och effektivt avlägsnar behovet av en neutralisator. Som deras studie fann, är Neptune-thruster också kapabel att generera tryck som är jämförbar med en konventionell jon-thruster.
För att utveckla tekniken ännu mer samarbetade de med James Dedrick och Andrew Gibson från York Plasma Institute för att studera hur thrusteren skulle fungera under olika förhållanden. Med Dedrick och Gibson ombord började de undersöka hur plasmastrålen kan interagera med rymden och om detta skulle påverka dess balanserade laddning.
Vad de fann var att motorns avgassolja spelade en stor roll för att hålla strålen neutral, där utbredningen av elektroner efter att de införts vid extraktionsgaller fungerar för att kompensera rymdladdningen i plasmastrålen. Som de säger i sin studie:
”[P] hashupplösad optisk emissionspektroskopi har använts i kombination med elektriska mätningar (jon- och elektronenergifördelningsfunktioner, jon- och elektronströmmar och strålpotential) för att studera den övergående utbredningen av energiska elektroner i en strömmande plasma genererad av en rf självförspänningsdriven plasma-thruster. Resultaten tyder på att utbredningen av elektroner under intervallet för mantelkollaps vid extraktionsgaller verkar för att kompensera rymdladdningen i plasmastrålen. ”
Naturligtvis betonar de också att ytterligare tester kommer att behövas innan en Neptune-thruster någonsin kan användas. Men resultaten är uppmuntrande, eftersom de erbjuder möjligheten till jonstrusterare som är lättare och mindre, vilket skulle möjliggöra rymdfarkoster som är ännu mer kompakta och energieffektiva. För rymdbyråer som vill utforska solsystemet (och därefter) på en budget är sådan teknik ingenting om inte önskvärt!
