Plazmas dzinējspēks ir astronomu un kosmosa aģentūru lielas intereses objekts. Tā kā augsti attīstīta tehnoloģija, kas piedāvā ievērojamu degvielas patēriņa efektivitāti salīdzinājumā ar parastajām ķīmiskajām raķetēm, tā šobrīd tiek izmantota visur, sākot no kosmosa kuģiem un satelītiem līdz izpētes misijām. Raugoties nākotnē, plūdošā plazma tiek pētīta arī progresīvākām piedziņas koncepcijām, kā arī magnētiski ierobežotai saplūšanai.
Tomēr izplatīta plazmas piedziņas problēma ir fakts, ka tā paļaujas uz tā dēvēto “neitralizatoru”. Šis instruments, kas ļauj kosmosa kuģim palikt neitrālam uzlādei, ir papildu enerģijas patēriņš. Par laimi, Jorkas Universitātes un École Polytechnique pētnieku grupa pēta plazmas dzinekļa dizainu, kas pilnībā iznīcinātu neitralizatoru.
Pētījums, kurā sīki aprakstīti viņu pētījumu rezultāti ar nosaukumu “Plūstošu plazmu pārejoša izplatīšanās dinamika, ko paātrina radiofrekvences elektriskie lauki”, tika izlaists šī mēneša sākumā Plazmas fizika - Amerikas Fizikas institūta publicētais žurnāls. Džeimsa Dendrika, fiziķa no Jorkas Plazmas institūta, vadībā viņi iepazīstina ar pašregulējoša plazmas dzinekļa koncepciju.
Pamatā plazmas vilces sistēmas paļaujas uz elektrisko jaudu, lai jonizētu propelenta gāzi un pārveidotu to plazmā (t.i., negatīvi lādētus elektronus un pozitīvi lādētus jonus). Pēc tam šos jonus un elektronus paātrina dzinēja sprauslas, lai radītu vilci un stumtu kosmosa kuģi. Kā piemērus var minēt režģa jonu un Halles efekta virzītāju, kas abi ir iedibinātas vilces tehnoloģijas.
Gridden-jonu virzulis pirmo reizi tika pārbaudīts 1960. un 70. gados kā kosmosa elektrisko raķešu testa (SERT) programmas daļa. Kopš tā laika NASA to izmanto Rītausma misija, kas šobrīd pēta Ceresu galvenajā asteroīda joslā. Un nākotnē ESA un JAXA plāno izmantot režģa virzuļus, lai stumtu viņu BepiColombo misiju uz Merkūru.
Tāpat Hallas efekta virzuļus kopš 1960. gadiem ir pētījušas gan NASA, gan Padomju kosmosa programmas. Pirmoreiz tie tika izmantoti kā daļa no EKA mazo misiju progresīvajiem pētījumiem tehnoloģijā-1 (SMART-1) misijas. Šī misija, kas tika uzsākta 2003. gadā un pēc trim gadiem ietriecās Mēness virsmā, bija pirmā ESA misija, kas devās uz Mēnesi.
Kā atzīmēts, visiem kosmosa kuģiem, kas izmanto šos vilces spēkus, ir nepieciešams neitralizators, lai nodrošinātu, ka tie paliek “lādiņneitrāli”. Tas ir nepieciešams, jo parastie plazmas virzuļi rada vairāk pozitīvi lādētu daļiņu nekā negatīvi lādēti. Kā neitralizatori injicē elektronus (kuriem ir negatīvs lādiņš), lai saglabātu līdzsvaru starp pozitīvajiem un negatīvajiem joniem.
Kā jums varētu būt aizdomas, šos elektronus ģenerē kosmosa kuģa elektriskās enerģijas sistēmas, kas nozīmē, ka neitralizators ir papildu enerģijas patēriņš. Šī komponenta pievienošana nozīmē arī to, ka pašai piedziņas sistēmai būs jābūt lielākai un smagākai. Lai to risinātu, York / École Polytechnique komanda ierosināja plazmas dzinekļa dizainu, kas pats par sevi var palikt lādiņa neitrāls.
Šo koncepciju, kas pazīstams kā Neptune motors, pirmo reizi 2014. gadā demonstrēja Dmytro Rafalskyi un Ane Aanesland, divi pētnieki no École Polytechnique’s Plazmas Physics (LPP) un līdzautori nesenajā rakstā. Kā viņi parādīja, koncepcija balstās uz tehnoloģiju, ko izmanto režģveida jonu virzuļu radīšanai, bet tai ir izdevies radīt izplūdes gāzi, kas satur salīdzināmu daudzumu pozitīvi un negatīvi lādētu jonu.
Kā viņi skaidro sava pētījuma laikā:
“Tā konstrukcija balstās uz plazmas paātrinājuma principu, saskaņā ar kuru jonu un elektronu vienlaicīga ekstrakcija tiek panākta, režģotai paātrinājuma optikai piemērojot svārstīgu elektrisko lauku. Tradicionālajos režģu slīpmašīnās jonus paātrina, izmantojot noteiktu sprieguma avotu, lai starp ekstrakcijas režģiem iedarbinātu līdzstrāvas (līdzstrāvas) elektrisko lauku. Šajā darbā tiek izveidots līdzstrāvas pašnovirzes spriegums, kad ekstrakcijas režģiem tiek pievienota radiofrekvences (rf) jauda, pateicoties atšķirībai starp darbināto un iezemēto virsmu laukumu, kas atrodas saskarē ar plazmu. ”
Īsāk sakot, dzineklis rada izplūdes gāzi, kas, izmantojot radioviļņus, ir faktiski neitrāla. Tam ir tāds pats efekts, kā vilces spēkam pievienojot elektrisko lauku, un tas efektīvi novērš nepieciešamību pēc neitralizatora. Kā atklāja viņu pētījums, Neptune dzineklis arī spēj radīt vilci, kas ir salīdzināma ar parasto jonu dzinekli.
Lai attīstītu tehnoloģiju vēl vairāk, viņi kopā ar Džeimsu Dedriku un Endrjū Gibsonu no Jorkas Plazmas institūta izpētīja, kā dzineklis darbosies dažādos apstākļos. Kad Dedriks un Gibsons atradās uz kuģa, viņi sāka pētīt, kā plazmas stars varētu mijiedarboties ar kosmosu un vai tas ietekmētu tā līdzsvaroto lādiņu.
Viņi atklāja, ka motora izplūdes gaismai ir liela loma neitrālas gaismas uzturēšanā, kur elektronu izplatīšanās pēc tam, kad tie tiek ievadīti pie ekstrakcijas režģiem, kompensē telpas lādiņu plazmas starā. Kā viņi norāda savā pētījumā:
“Lai izpētītu enerģētisko elektronu pārejošu izplatīšanos plūstošā plazmā, ko izmanto elektriskiem mērījumiem (jonu un elektronu enerģijas sadalījuma funkcijas, jonu un elektronu strāvas un staru kūļa potenciāls), ir izmantota [P] izšķirtspējas optiskās emisijas spektroskopija. rf pats ar aizspriedumiem vadīts plazmas dziedzeris. Rezultāti liecina, ka elektronu izplatīšanās apvalka sabrukšanas laikā ekstrakcijas režģos kompensē telpas lādiņu plazmas starā. ”
Protams, viņi arī uzsver, ka būs nepieciešama papildu pārbaude, pirms Neptune dzinekli var kādreiz izmantot. Bet rezultāti ir iepriecinoši, jo tie piedāvā vieglāku un mazāku jonu virzuļu iespēju, kas ļautu izmantot vēl kompaktus un energoefektīvus kosmosa kuģus. Kosmosa aģentūrām, kuras vēlas izpētīt Saules sistēmu (un ārpus tās) par budžetu, šāda tehnoloģija ir nekas cits, ja nav vēlama!
