Penggerak plasma adalah subjek yang diminati oleh ahli astronomi dan agensi angkasa. Sebagai teknologi canggih yang menawarkan kecekapan bahan bakar yang besar berbanding roket kimia konvensional, ia kini digunakan dalam segala hal, dari kapal angkasa dan satelit hingga misi eksplorasi. Dan melihat ke masa depan, plasma yang mengalir juga sedang disiasat untuk konsep penggerak yang lebih maju, dan juga pelekapan terkurung magnetik.
Namun, masalah umum dengan penggerak plasma adalah kenyataan bahawa ia bergantung pada apa yang dikenal sebagai "peneutralan". Instrumen ini, yang membolehkan kapal angkasa tetap tidak berkecuali, adalah tambahan kuasa. Nasib baik, sekumpulan penyelidik dari University of York dan École Polytechnique sedang menyiasat reka bentuk tujahan plasma yang akan menghilangkan peneutralan sama sekali.
Satu kajian yang memperincikan penemuan penyelidikan mereka - berjudul "Dinamika penyebaran sementara plasma mengalir yang dipercepat oleh medan elektrik frekuensi radio" - dirilis awal bulan ini pada Fizik Plasmas - jurnal yang diterbitkan oleh American Institute of Physics. Diketuai oleh Dr. James Dendrick, seorang ahli fizik dari York Plasma Institute di University of York, mereka mengemukakan konsep untuk penyusun plasma yang mengatur sendiri.
Pada asasnya, sistem penggerak plasma bergantung pada tenaga elektrik untuk mengionkan gas propelan dan mengubahnya menjadi plasma (iaitu elektron bermuatan negatif dan ion bermuatan positif). Ion dan elektron ini kemudian dipercepat oleh muncung mesin untuk menghasilkan tujahan dan mendorong kapal angkasa. Contohnya merangkumi Gridded-ion dan Hall-effect thruster, yang kedua-duanya adalah teknologi pendorong yang mapan.
Gridden-ion thruster pertama kali diuji pada tahun 1960-an dan 70-an sebagai sebahagian daripada program Space Electric Rocket Test (SERT). Sejak itu, ia digunakan oleh NASA Subuh misi, yang kini menjelajah Ceres di tali pinggang Asteroid Utama. Dan pada masa akan datang, ESA dan JAXA merancang untuk menggunakan alat besi besi Gridded untuk mendorong misi BepiColombo mereka ke Mercury.
Begitu juga, dorong kesan-kesan Hall telah disiasat sejak tahun 1960-an oleh kedua-dua program angkasa NASA dan Soviet. Mereka pertama kali digunakan sebagai sebahagian daripada misi Misi Kecil ESA untuk Penyelidikan Lanjutan dalam Teknologi-1 (SMART-1). Misi ini, yang dilancarkan pada tahun 2003 dan menabrak permukaan bulan tiga tahun kemudian, adalah misi ESA pertama yang pergi ke Bulan.
Seperti yang dinyatakan, kapal angkasa yang menggunakan alat pendorong ini semuanya memerlukan peneutralan untuk memastikannya tetap "neutral-charge". Ini perlu kerana pemacu plasma konvensional menghasilkan zarah yang lebih bermuatan positif daripada zarah bermuatan negatif. Oleh itu, peneutralan menyuntikkan elektron (yang membawa muatan negatif) untuk mengekalkan keseimbangan antara ion positif dan negatif.
Seperti yang anda sangka, elektron-elektron ini dihasilkan oleh sistem kuasa elektrik kapal angkasa, yang bermaksud bahawa peneutralan adalah pengurangan kuasa tambahan. Penambahan komponen ini juga bermaksud bahawa sistem pendorong itu sendiri harus lebih besar dan lebih berat. Untuk mengatasi hal ini, pasukan York / École Polytechnique mencadangkan reka bentuk untuk plasma thruster yang boleh kekal netral dengan sendirinya.
Dikenali sebagai mesin Neptune, konsep ini pertama kali diperlihatkan pada tahun 2014 oleh Dmytro Rafalskyi dan Ane Aanesland, dua penyelidik dari Makmal Plasma Fizik (LPP) andcole Polytechnique dan pengarang bersama di makalah baru-baru ini. Seperti yang mereka tunjukkan, konsep itu dibangun berdasarkan teknologi yang digunakan untuk membuat pendorong ion grid, tetapi berjaya menghasilkan ekzos yang mengandung jumlah ion bermuatan positif dan negatif yang setanding.
Seperti yang mereka jelaskan semasa kajian mereka:
"Reka bentuknya didasarkan pada prinsip percepatan plasma, dimana pengekstrakan ion dan elektron secara kebetulan dicapai dengan menerapkan medan elektrik berayun ke optik percepatan grid. Dalam alat pendorong ion grid-tradisional, ion dipercepat menggunakan sumber voltan yang ditentukan untuk menerapkan medan elektrik arus terus (dc) antara grid pengekstrakan. Dalam karya ini, voltan bias diri dc terbentuk apabila kuasa frekuensi radio (rf) digabungkan ke grid pengekstrakan kerana perbezaan luas permukaan yang digerakkan dan dibumikan bersentuhan dengan plasma. "
Ringkasnya, alat pendorong menghasilkan ekzos yang berkesan neutral-pengisian melalui penerapan gelombang radio. Ini mempunyai kesan yang sama dengan menambahkan medan elektrik ke arah tuju, dan secara berkesan menghilangkan keperluan untuk peneutralan. Seperti yang dijumpai dalam kajian mereka, Neptune thruster juga mampu menghasilkan daya tuju yang setanding dengan tujahan ion konvensional.
Untuk memajukan teknologi lebih jauh, mereka bekerjasama dengan James Dedrick dan Andrew Gibson dari York Plasma Institute untuk mengkaji bagaimana mesin peluncur akan berfungsi dalam keadaan yang berbeza. Dengan adanya Dedrick dan Gibson, mereka mula mengkaji bagaimana pancaran plasma dapat berinteraksi dengan ruang dan apakah ini akan mempengaruhi muatan seimbangnya.
Apa yang mereka dapati adalah bahawa pancaran ekzos enjin memainkan peranan besar dalam menjaga sinar tetap netral, di mana penyebaran elektron setelah mereka diperkenalkan di grid pengekstrakan bertindak untuk mengimbangi pengisian ruang di rasuk plasma. Seperti yang mereka nyatakan dalam kajian mereka:
"[P] spektroskopi pelepasan optik yang diselesaikan hase telah diterapkan dalam kombinasi dengan pengukuran elektrik (fungsi pengedaran tenaga ion dan elektron, arus ion dan elektron, dan potensi sinar) untuk mengkaji penyebaran sementara elektron bertenaga dalam plasma mengalir yang dihasilkan oleh rangsangan plasma yang didorong oleh bias diri. Hasilnya menunjukkan bahawa penyebaran elektron pada selang runtuh sarung pada grid pengekstrakan bertindak untuk mengimbangi muatan ruang di rasuk plasma. "
Secara semula jadi, mereka juga menekankan bahawa ujian lebih lanjut akan diperlukan sebelum Neptune thruster dapat digunakan. Tetapi hasilnya menggembirakan, kerana mereka menawarkan kemungkinan pelontar ion yang lebih ringan dan lebih kecil, yang memungkinkan kapal angkasa yang lebih ringkas dan jimat tenaga. Bagi agensi ruang angkasa yang ingin meneroka Sistem Suria (dan seterusnya) dengan anggaran, teknologi seperti itu tidak ada artinya jika tidak diinginkan!
