När vi tänker på rymdresor tenderar vi att föreställa oss en massiv raket som sprängs från jorden, med enorma sprängströmmar av eld och rök som kommer ut ur botten, eftersom den enorma maskinen kämpar för att undgå jordens allvar. Men när ett rymdskepp har brutit sin gravitationella bindning med jorden, har vi andra alternativ för att driva dem. Jonframdrivning, länge drömt om i science fiction, används nu för att skicka sonder och rymdskepp på långa resor genom rymden.
NASA började först undersöka jonframdrivning på 1950-talet. 1998 användes framgångsrikt jonframdrivning som det huvudsakliga framdrivningssystemet i ett rymdskepp, som driver Deep Space 1 (DS1) på sitt uppdrag till asteroiden 9969 punktskrift och kometen Borrelly. DS1 designades inte bara för att besöka en asteroid och en komet, utan också för att testa tolv avancerade, högrisksteknologier, främst jonframdrivningssystemet i sig.
Jonframdrivningssystem genererar en liten mängd drivkraft. Håll nio fjärdedelar i handen, känna jordens tyngdkraft dra i dem, och du har en uppfattning om hur lite drivkraft de genererar. De kan inte användas för att sjösätta rymdskepp från kroppar med stark tyngdkraft. Deras styrka ligger i att fortsätta att generera drivkraft över tid. Detta innebär att de kan uppnå mycket höga topphastigheter. Ion-thrustare kan driva rymdfarkoster till hastigheter över 320 000 kp / h (200 000 mph), men de måste vara i drift under lång tid för att uppnå den hastigheten.
En jon är en atom eller en molekyl som antingen har tappat eller fått en elektron och därför har en elektrisk laddning. Så jonisering är processen att ge en laddning till en atom eller en molekyl, genom att lägga till eller ta bort elektroner. När den är laddad kommer en jon att vilja röra sig i förhållande till ett magnetfält. Det är kärnan i jon-drivenheter. Men vissa atomer är bättre lämpade för detta. NASA: s jon drivenheter använder vanligtvis xenon, en inert gas, eftersom det inte finns någon risk för explosion.
I en jon-drivenhet är inte xenon ett bränsle. Det förbränns inte, och det har inga inneboende egenskaper som gör det användbart som bränsle. Energikällan för en jondrift måste komma från någon annanstans. Denna källa kan vara elektricitet från solceller eller elektricitet som genereras från förfallsvärme från ett kärnmaterial.
Joner skapas genom att bombardera xenongasen med elektroner med hög energi. När de har laddats dras dessa joner genom ett par elektrostatiska rutnät - kallade linser - av deras laddningar och förvisas ur kammaren och producerar drivkraft. Denna urladdning kallas jonstrålen, och den injiceras återigen med elektroner för att neutralisera laddningen. Här är en kort video som visar hur jon-enheter fungerar:
Till skillnad från en traditionell kemisk raket, där dess drivkraft begränsas av hur mycket bränsle den kan bära och bränna, begränsas drivkraften som genereras av en jondrift endast av styrkan hos dess elektriska källa. Mängden drivmedel ett farkost kan bära, i detta fall xenon, är en sekundär oro. NASA: s rymdskepp från Dawn använde bara 10 uns xenon-drivmedel - det är mindre än en läsk kan - i 27 timmars drift.
I teorin finns det ingen gräns för styrkan hos den elektriska källan som driver frekvensomriktaren, och arbetet görs för att utveckla ännu kraftigare jontryckare än vi för närvarande har. 2012 fungerade NASA: s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) vid 7000w i över 43 000 timmar, i jämförelse med jonstationen på DS1 som bara använde 2100w. NEXT, och mönster som kommer att överträffa det i framtiden, gör att rymdfarkoster kan gå på utökade uppdrag till flera asteroider, kometer, de yttre planeterna och deras månar.
Uppdrag som använder jonframdrivning inkluderar NASA: s Dawn-uppdrag, det japanska Hayabusa-uppdraget till asteroiden 25143 Itokawa och de kommande ESA-uppdragen Bepicolombo, som kommer till Mercury 2017, och LISA Pathfinder, som kommer att studera lågfrekventa gravitationsvågor.
Med den ständiga förbättringen av jonframdrivningssystem kommer denna lista bara att växa.
