Plasmafremdrift er et emne af stor interesse for astronomer og rumfartsbureauer. Som en meget avanceret teknologi, der tilbyder betydelig brændstofeffektivitet i forhold til konventionelle kemiske raketter, bruges den i øjeblikket i alt fra rumfartøjer og satellitter til efterforskningsopgaver. Og når vi ser på fremtiden, undersøges flydende plasma også for mere avancerede fremdrivningskoncepter samt magnetisk indeslutet fusion.
Et almindeligt problem med plasma-fremdrift er imidlertid det faktum, at den er afhængig af det, der er kendt som en "neutralisator". Dette instrument, der gør det muligt for rumfartøjer at forblive ladningsneutral, er en ekstra dræning af strømmen. Heldigvis undersøger et team af forskere fra University of York og École Polytechnique et plasma-thruster-design, der helt ville fjerne en neutralisator.
En undersøgelse, der detaljerede deres forskningsresultater - med titlen "Transient propagations dynamics of flowing plasma's accelerated by radio-frequent electronic field" - blev frigivet tidligere i denne måned i Plasmas fysik - et tidsskrift udgivet af American Institute of Physics. Anført af Dr. James Dendrick, en fysiker fra York Plasma Institute ved University of York, præsenterer de et koncept for en selvregulerende plasmastruster.
Grundlæggende er plasma-fremdrivningssystemer afhængige af elektrisk kraft til at ionisere drivgas og omdanne den til plasma (dvs. negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner). Disse ioner og elektroner accelereres derefter med motordyser for at generere tryk og fremdrive et rumfartøj. Eksempler inkluderer thrusteren Gridded-ion og Hall-effect, som begge er etablerede fremdrivningsteknologier.
Gridden-ion thruster blev først testet i 1960'erne og 70'erne som en del af Space Electric Rocket Test (SERT) -programmet. Siden da er det blevet brugt af NASA's Daggry mission, der i øjeblikket udforsker Ceres i hovedsteroidebæltet. Og i fremtiden planlægger ESA og JAXA at bruge gitterjernsstropere til at drive deres BepiColombo-mission til Mercury.
Tilsvarende er Hall-effekt-thrustere blevet undersøgt siden 1960'erne af både NASA og de sovjetiske rumprogrammer. De blev først brugt som en del af ESAs Small Missions for Advanced Research in Technology-1 (SMART-1) -mission. Denne mission, der blev lanceret i 2003 og styrtede ned på månens overflade tre år senere, var den første ESA-mission, der gik til Månen.
Som bemærket kræver rumfartøjer, der bruger disse thrustere, en neutralisator for at sikre, at de forbliver "opladningsneutrale". Dette er nødvendigt, da konventionelle plasma-thrustere genererer mere positivt ladede partikler, end de gør negativt ladede. Som sådan indsprøjter neutralisatorer elektroner (som bærer en negativ ladning) for at opretholde balancen mellem positive og negative ioner.
Som du måske har mistanke om, genereres disse elektroner af rumfartøjets elektriske kraftsystemer, hvilket betyder, at neutralisatoren er en ekstra dræning af strømmen. Tilsætningen af denne komponent betyder også, at selve fremdrivningssystemet skal være større og tungere. For at tackle dette foreslog teamet fra York / École Polytechnique et design til en plasma-thruster, der kan forblive ladningsneutral alene.
Dette koncept blev kendt som Neptune-motoren og blev først demonstreret i 2014 af Dmytro Rafalskyi og Ane Aanesland, to forskere fra École Polytechniques Laboratory of Plasma Physics (LPP) og medforfattere til det nylige papir. Som de demonstrerede bygger konceptet på teknologien, der bruges til at skabe gitter-ion-thrustere, men formår at generere udstødning, der indeholder sammenlignelige mængder af positivt og negativt ladede ioner.
Som de forklarer i løbet af deres undersøgelse:
”Dens design er baseret på princippet om plasmaacceleration, hvorved den sammenfaldende ekstraktion af ioner og elektroner opnås ved at anvende et svingende elektrisk felt på den gitterede accelerationsoptik. I traditionelle gitter-ion-thrustere accelereres ioner ved hjælp af en udpeget spændingskilde til at påføre et elektrisk jævnstrøm (jævnstrøms) felt mellem ekstraktionsgitrene. I dette arbejde dannes en DC-selvforspændingsspænding, når radiofrekvens (rf) strøm kobles til ekstraktionsnettet på grund af forskellen i området for de drevne og jordede overflader, der er i kontakt med plasmaet. ”
Kort sagt skaber thrusteren udstødning, der effektivt er ladningsneutral gennem anvendelse af radiobølger. Dette har den samme virkning af at tilføje et elektrisk felt til trykket og effektivt fjerne behovet for en neutralisator. Som deres undersøgelse fandt, er Neptune-thrusteren også i stand til at generere tryk, der kan sammenlignes med en konventionel ion-thruster.
For at fremme teknologien endnu mere samarbejdede de med James Dedrick og Andrew Gibson fra York Plasma Institute for at studere, hvordan thrusteren ville fungere under forskellige forhold. Med Dedrick og Gibson om bord begyndte de at undersøge, hvordan plasmastrålen kunne interagere med rummet, og om dette ville påvirke dens afbalancerede ladning.
Det, de fandt, var, at motorens udstødningsstråle spillede en stor rolle i at holde strålen neutral, hvor forplantningen af elektroner, efter at de er introduceret ved udsugningsnettet, fungerer for at kompensere for pladsopladning i plasmastrålen. Som de siger i deres undersøgelse:
”[P] hash-opløst spektroskopi med optisk emission er blevet anvendt i kombination med elektriske målinger (ion- og elektronenergifordelingsfunktioner, ion- og elektronstrømme og strålepotentiale) for at studere den kortvarige forplantning af energiske elektroner i et strømmende plasma genereret af en rf selvforsinkelsesdrevet plasma-thruster. Resultaterne antyder, at udbredelsen af elektroner under intervallet af kappe-kollaps ved ekstraktionsgitrene fungerer til at kompensere pladsladning i plasmastrålen. ”
Naturligvis understreger de også, at der vil være behov for yderligere test, før en Neptune-thruster nogensinde kan bruges. Men resultaterne er opmuntrende, da de giver mulighed for ion-thrustere, der er lettere og mindre, hvilket vil give mulighed for rumfartøjer, der er endnu mere kompakte og energieffektive. For rumbureauer, der ønsker at udforske solsystemet (og videre) på et budget, er sådan teknologi intet, hvis ikke ønskeligt!
