Плазменные двигатели вызывают большой интерес у астрономов и космических агентств. Как высокоразвитая технология, которая обеспечивает значительную экономию топлива по сравнению с обычными химическими ракетами, в настоящее время она используется во всем, от космических кораблей и спутников до исследовательских миссий. И, глядя в будущее, текущая плазма также исследуется для более продвинутых концепций движения, а также для термоядерного синтеза.
Тем не менее, общей проблемой плазменного двигателя является тот факт, что он основан на так называемом «нейтрализаторе». Этот инструмент, который позволяет космическому кораблю оставаться нейтральным по заряду, является дополнительным расходом энергии. К счастью, команда исследователей из Университета Йорка и Политехнической школы исследует конструкцию плазменного двигателя, которая полностью избавилась бы от нейтрализатора.
Исследование, детализирующее результаты их исследований под названием «Переходная динамика распространения плавающей плазмы, ускоряемой радиочастотными электрическими полями», было опубликовано в начале этого месяца в Физика плазмы - журнал, изданный Американским институтом физики. Во главе с доктором Джеймсом Дендриком, физиком из Йоркского института плазмы в Университете Йорка, они представляют концепцию саморегулирующегося плазменного двигателя.
В основном, плазменные двигательные установки полагаются на электроэнергию для ионизации газа-вытеснителя и превращения его в плазму (то есть отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы). Эти ионы и электроны затем ускоряются форсунками двигателя для создания тяги и движения космического корабля. Примерами являются двигатели с решетчатым ионом и эффектом Холла, оба из которых являются признанными двигательными технологиями.
Подруливающее устройство с ионами сетки было впервые испытано в 1960-х и 70-х годах в рамках программы космических электрических ракетных испытаний (SERT). С тех пор он использовался НАСА рассвет миссия, которая в настоящее время исследует Цереру в Главном поясе астероидов. А в будущем ESA и JAXA планируют использовать двигатели с решетчатым железом для продвижения своей миссии BepiColombo на Меркурий.
Аналогичным образом двигатели с эффектом Холла были исследованы с 1960-х годов как НАСА, так и советскими космическими программами. Сначала они использовались в рамках миссии ЕКА «Малые миссии по перспективным исследованиям в области технологий-1» (SMART-1). Эта миссия, начатая в 2003 году и потерпевшая крушение на поверхности Луны три года спустя, стала первой миссией ЕКА, отправленной на Луну.
Как уже отмечалось, всем космическим кораблям, которые используют эти двигатели, требуется нейтрализатор, чтобы они оставались «нейтральными по заряду». Это необходимо, поскольку обычные плазменные двигатели генерируют больше положительно заряженных частиц, чем отрицательно заряженных. Таким образом, нейтрализаторы вводят электроны (которые несут отрицательный заряд), чтобы поддерживать баланс между положительными и отрицательными ионами.
Как вы можете подозревать, эти электроны генерируются системами электроснабжения космического корабля, что означает, что нейтрализатор является дополнительным расходом энергии. Добавление этого компонента также означает, что сама двигательная система должна быть больше и тяжелее. Для решения этой проблемы команда Йоркской Политехнической Школы предложила проект плазменного двигателя, который сам по себе может оставаться нейтральным по заряду..
Эта концепция, известная как двигатель Нептуна, была впервые продемонстрирована в 2014 году Дмитрием Рафальским и Аней Аансленд, двумя исследователями из Лаборатории физики плазмы (LPP) при Политехнической школе и соавторами недавней статьи. Как они продемонстрировали, эта концепция основана на технологии, используемой для создания двигателей с сеточными ионами, но ей удается генерировать выхлоп, содержащий сопоставимые количества положительно и отрицательно заряженных ионов.
Как они объясняют в ходе своего исследования:
«Его конструкция основана на принципе ускорения плазмы, при котором одновременное извлечение ионов и электронов достигается путем приложения осциллирующего электрического поля к сеточной ускоряющей оптике. В традиционных двигателях с сеточными ионами ионы ускоряются с использованием назначенного источника напряжения, чтобы прикладывать постоянное электрическое поле (постоянный ток) между экстракционными решетками. В этой работе постоянное напряжение смещения формируется, когда радиочастотная (РЧ) мощность подключается к сеткам извлечения из-за разницы в площади питаемых и заземленных поверхностей, контактирующих с плазмой ».
Короче говоря, подруливающее устройство создает выхлоп, который эффективно нейтрален по заряду благодаря применению радиоволн. Это имеет тот же эффект добавления электрического поля к тяге и эффективно устраняет необходимость в нейтрализаторе. Как показали их исследования, движок Neptune также способен генерировать тягу, сравнимую с обычным ионным двигателем.
Чтобы продвинуть технологию дальше, они объединились с Джеймсом Дедриком и Эндрю Гибсоном из Йоркского института плазмы, чтобы изучить, как двигатель будет работать в различных условиях. Имея на борту Дедрика и Гибсона, они начали изучать, как плазменный луч может взаимодействовать с пространством и повлияет ли это на его сбалансированный заряд.
Они обнаружили, что выхлопной пучок двигателя сыграл большую роль в поддержании нейтральности пучка, когда распространение электронов после их введения в вытяжные решетки компенсирует объемный заряд в плазменном пучке. Как они утверждают в своем исследовании:
«Оптическая эмиссионная спектроскопия с разрешением [P] была применена в сочетании с электрическими измерениями (функции распределения энергии ионов и электронов, токи ионов и электронов и потенциал пучка) для изучения нестационарного распространения энергичных электронов в текущей плазме, генерируемой высокочастотный плазменный двигатель Результаты показывают, что распространение электронов во время интервала разрушения оболочки на экстракционных решетках служит для компенсации пространственного заряда в плазменном пучке ».
Естественно, они также подчеркивают, что необходимы дальнейшие испытания, прежде чем можно будет использовать движок Neptune. Но результаты обнадеживают, поскольку они предлагают возможность использования ионных двигателей, которые легче и меньше, что позволило бы космическим кораблям стать еще более компактными и энергоэффективными. Для космических агентств, желающих изучить Солнечную систему (и за ее пределами) с ограниченным бюджетом, такая технология - ничто, если не желательно!
