Σούπερ ιοντική προωθητική μηχανή σχεδιάζεται από την Ευρώπη

Πηγή: NewScientist, 18 Ιανουαρίου 2006

Ένα νέο σχέδιο για μια ιοντική μηχανή υπόσχεται μέχρι και 10 φορές μεγαλύτερη αποδοτικότητα στα καύσιμα από τις υπάρχουσες μηχανές με ηλεκτρικούς προωστήρες, σύμφωνα με δοκιμές από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία. Ο νέος προωθητήρας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να ωθήσει διαστημόπλοια στο διαστρικό διάστημα, ή να τροφοδοτήσει μια επανδρωμένη αποστολή στον Άρη, αναφέρει ανακοίνωση της ESA.

Οι ιοντικές μηχανές λειτουργούν με τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού πεδίου για να επιταχύνουν μια ακτίνα θετικών σωματιδίων - ιόντα - μακριά από το διαστημικό σκάφος, και με αυτόν τον τρόπο δίνουν ώθηση στο σκάφος. Τα υπάρχοντα μοντέλα, όπως η μηχανή που χρησιμοποιείται στην αποστολή της ESA για το φεγγάρι, SMART-1, εξάγουν τα ιόντα από μια δεξαμενή και τα αποβάλλουν με μια ενιαία διαδικασία.

Οι δοκιμές σε ένα πρωτότυπο που ονομάστηκε προωθητής 4 πλεγμάτων διπλού σταδίου (DS4G), στο εργαστήριο ηλεκτρικής προώθησης της ESA στην Ολλανδία έδειξαν ότι το DS4G που με μια διαδικασία δύο σταδίων παράγει μια ιοντική γλώσσα εξάτμισης, η οποία ταξίδεψε με ταχύτητα 210 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο - περισσότερο από 10 φορές γρηγορότερα από τη μηχανή του SMART-1, και τέσσερις φορές γρηγορότερα από τα πιο πρόσφατα σχέδια πρωτοτύπων ιοντικών μηχανών. Αυτό θα σήμαινε ότι ένα διαστημικό σκάφος θα μπορούσε να φέρει πολύ περισσότερο βάρος για μια δεδομένη ποσότητα καυσίμων, ή θα μπορούσε να πάει ακόμα μακρύτερα και γρηγορότερα.

"Οι επανδρωμένες ή οι ρομποτικές αποστολές με πολύ φορτίο στον Άρη αρχίζουν να γίνονται πιο πιθανές, όπως οι διαστρικές αποστολές πέρα από το ηλιακό σύστημα",  λέει ο Orson Sutherland του αυστραλιανού εθνικού πανεπιστημίου στην Καμπέρα, που καθοδήγησε την ομάδα που έφτιαξε τη μηχανή, σε ένα πρόγραμμα που συντονίστηκε από τον Roger Walker της ομάδας προηγμένων ιδεών της ESA.

Η συμβατική ιοντική μηχανή περιέχει τρία πλέγματα με χιλιάδες τρύπες διαμέτρου λίγων χιλιοστών. Αυτά τα πλέγματα είναι συνδεμένα σε ένα θάλαμο που περιέχει τα φορτισμένα σωματίδια.

Το πρώτο πλέγμα λειτουργεί με τάση χιλιάδες βολτ, ενώ το δεύτερο είναι με μια χαμηλή τάση. Αυτή η διαφορά τάσης δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο εξάγει τα ιόντα από τη δεξαμενή καυσίμων και τα επιταχύνει έξω στο διάστημα σε ένα βήμα. Το τρίτο πλέγμα δρα για να σταματήσει τα ηλεκτρόνια να πάνε πίσω στην ιοντική ακτίνα.

Το ιδανικό είναι η διαφορά τάσης μεταξύ των πρώτων δύο πλεγμάτων να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερη, για να μεγιστοποιήσει την ταχύτητα με την οποία τα ιόντα αποβάλλονται, και επίσης την αποδοτικότητα των καυσίμων της μηχανής. Αλλά όταν η διαφορά πλησιάζει τα 5000 βολτ, τα ιόντα συγκρούονται με το δεύτερο πλέγμα, και αρχίζουν να το διαβρώνουν

Το νέο σχέδιο αντιθέτως ενσωματώνει τέσσερα πλέγματα. Κατ' αρχάς, τα ιόντα εξάγονται από τη δεξαμενή χρησιμοποιώντας δύο πλέγματα πολύ κοντά το ένα με το άλλο, που και τα δύο λειτουργούν σε μια ενδιάμεση τάση 3000 έως 5000 V.

Η επιτάχυνση έρχεται στο δεύτερο στάδιο, όταν διοχετεύονται τα ιόντα που αποσπάστηκαν μεταξύ του δεύτερου και τρίτου πλέγματος, στα οποία εφαρμόζεται μια πολύ υψηλή τάση. Το τελικό, χαμηλής τάσης στάδιο, μεταξύ του τρίτου και τέταρτου πλέγματος, αποτρέπει τα ηλεκτρόνια από τη γλώσσα εξάτμισης να απομακρυνθούν προς τα πίσω.

Αυτό το σύστημα επιτρέπει διαφορές τάσης μέχρι και 30.000 V μεταξύ των δύο συνόλων των πλεγμάτων, παράγοντας έτσι πολύ γρηγορότερες ιοντικές γλώσσες εξάτμισης από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατές, και χωρίς να καταστραφεί η μηχανή.

Λαμβάνοντας υπόψη την ικανοποιητική ηλεκτρική ισχύ, ένα σμήνος μηχανών DS4G θα μπορούσε να φέρει ένα πλήρωμα στον Άρη και να το επιστρέψει, λέει η ESA. Εναλλακτικά, το σχέδιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να μειώσει το χρόνο των πιο μακροχρόνιων αποστολών στον Πλούτωνα, ή τη ζώνη Kuiper.

Αλλά απαιτείται μια πιο εκτενής δοκιμασία για το νέο σχέδιο ιοντικών μηχανών, που θα μπορούσε να κρατήσει και μια δεκαετία, προτού το DS4G κάνει την εμφάνιση του σε μια διαστημική αποστολή, αναφέρει ο Sutherland.

Η Ιοντική Προώθηση σήμερα

1. Τα άτομα του αερίου ξένον αντλούνται σε μια κυλινδρική αίθουσα, όπου συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια που φεύγουν από την κάθοδο. Τα ηλεκτρόνια - που είναι αρνητικά φορτισμένα - συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια από τα άτομα του ξένον, δημιουργώντας έτσι ιόντα - θετικά φορτισμένα.

2. Πηνία έξω από το θάλαμο δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο, που αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν από την κάθοδο σπειροειδώς και να παγιδευτούν στο στόμιο του θαλάμου.

3. Η συγκέντρωση των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων στο στόμιο του θαλάμου ελκύει τα θετικά ιόντα του ξένον, που επιταχύνονται μακριά από το θάλαμο.

4. Το ρεύμα των επιταχυνόμενων ιόντων που απομακρύνονται μακριά από το θάλαμο (όπως τα καυσαέρια στους κλασσικούς πυραύλους) αναγκάζει το διαστημικό σκάφος να κινείται μπροστά. Αν και η προωθητική δύναμη είναι μικρή, σε μεγάλο χρονικό διάστημα όμως δημιουργεί μεγάλη ταχύτητα στον πύραυλο που βρίσκεται στο διαστημικό περιβάλλον χωρίς τριβές.

Χρήσιμα στοιχεία

• Χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια, που παίρνει μέσω ηλιακών συλλεκτών, με την οποίο το αέριο ιονίζεται και εκπέμπεται με ταχύτητα προς πίσω από το πίσω μέρος του σκάφους, για να φέρει το SMART-1 σε υψηλή ταχύτητα.

• Χρησιμοποιεί σαν προωθητικό μέσον, το ευγενές αέριο Ξένον, ένα άχρωμο αέριο.

• Τα ηλεκτρόνια, που είναι παγιδευμένα μέσα σε ένα θάλαμο από ένα μαγνητικό πεδίο, συγκρούονται με το αέριο ξένον δημιουργώντας ιόντα ξένου και περισσότερα ηλεκτρόνια.

• Η προκύπτουσα ακτίνα με ιόντα ωθεί το διαστημικό όχημα μπροστά.

• Όταν το ταξίδι διαρκεί πολύ χρόνο, μπορεί τότε να προσδώσει στο διαστημικό σκάφος μεγάλη ταχύτητα.

• Η ώθηση, όμως, είναι πολύ μικρή. Ισούται περίπου με την πίεση που ασκεί ένα φύλλο χαρτί στην παλάμη ενός χεριού. Ο κινητήρας ιόντων προσφέρει πολύ μικρή επιτάχυνση αλλά είναι οικονομικός και μπορεί να λειτουργεί αδιάλειπτα για μεγάλο χρονικό διάστημα, οπότε η τελική ταχύτητα μπορεί να είναι πολύ υψηλή.