Plazmový pohon je predmetom veľkého záujmu astronómov a vesmírnych agentúr. Ako vysoko vyspelá technológia, ktorá ponúka značnú úsporu paliva oproti konvenčným chemickým raketám, sa v súčasnosti používa vo všetkom, od kozmických lodí a satelitov až po prieskumné misie. Pri pohľade do budúcnosti sa tečúca plazma skúma aj pre pokročilejšie koncepcie pohonu, ako aj pre magneticky obmedzenú fúziu.
Bežným problémom plazmového pohonu je však skutočnosť, že sa spolieha na tzv. „Neutralizátor“. Tento prístroj, ktorý umožňuje, aby kozmická loď zostala neutrálna z hľadiska náboja, je ďalším zdrojom energie. Našťastie tím výskumníkov z University of York a École Polytechnique skúmajú konštrukciu plazmového paliva, ktorá úplne odstráni neutralizátor.
Začiatkom tohto mesiaca bola zverejnená štúdia, v ktorej sa podrobne uvádzajú výsledky ich výskumu s názvom „Prechodná dynamika šírenia prúdiacich plaziem urýchlených vysokofrekvenčnými elektrickými poľami“. Fyzika plazmy - časopis vydávaný Americkým fyzikálnym ústavom. Pod vedením Dr. Jamesa Dendricka, fyzika z York Plazmového inštitútu na University of York, predstavujú koncept samoregulačného plazmového paliva.
Plazmové pohonné systémy sa v zásade spoliehajú na elektrickú energiu na ionizáciu hnacieho plynu a jeho transformáciu na plazmu (t. J. Negatívne nabité elektróny a kladne nabité ióny). Tieto ióny a elektróny sú potom urýchľované tryskami motora, aby sa vytvoril nápor a pohon kozmickej lode. Medzi príklady patrí mriežkový ión a Hall-efektový thruster, z ktorých oba sú zavedené technológie pohonu.
Hnací mechanizmus Gridden-ion bol prvýkrát testovaný v 60. a 70. rokoch ako súčasť programu SERT (Space Electric Rocket Test). Odvtedy ho používajú NASA svitania misia, ktorá v súčasnosti skúma Ceresa v hlavnom asteroidnom páse. A ESA a JAXA v budúcnosti plánujú použiť poháňače Gridded-Iron na pohon svojej misie BepiColombo na Merkur.
Podobne boli od 60. rokov 20. storočia skúmané aj zariadenia typu Hall-efekt, ktoré vyvíjali NASA aj sovietske vesmírne programy. Najskôr sa použili ako súčasť misie ESA pre malé výskumné misie pre pokročilý výskum v technológii-1 (SMART-1). Táto misia, ktorá začala v roku 2003 a narazila na lunárny povrch o tri roky neskôr, bola prvou misiou ESA, ktorá odcestovala na Mesiac.
Ako už bolo uvedené, všetky kozmické lode, ktoré používajú tieto trysky, vyžadujú neutralizátor, aby sa zaistilo, že zostanú „neutrálne z hľadiska náboja“. Je to potrebné, pretože konvenčné plazmové trysky vytvárajú pozitívnejšie nabité častice ako negatívne nabité častice. Neutralizátory vstrekujú elektróny (ktoré nesú záporný náboj), aby udržali rovnováhu medzi kladnými a zápornými iónmi.
Ako by ste mohli mať podozrenie, tieto elektróny sú generované elektrickými systémami kozmickej lode, čo znamená, že neutralizátor je ďalším odtokom energie. Pridanie tejto zložky tiež znamená, že samotný pohonný systém bude musieť byť väčší a ťažší. Na vyriešenie tohto problému tím York / École Polytechnique navrhol konštrukciu plazmového paliva, ktorá môže zostať sama o sebe neutrálna..
Tento koncept, známy ako Neptunový motor, prvýkrát predstavili v roku 2014 Dmytro Rafalskyi a Ane Aanesland, dvaja vedci z laboratória fyziky plazmy École Polytechnique (LPP) a spoluautori tohto dokumentu. Ako demonštrovali, koncept vychádza z technológie použitej na vytvorenie mriežkových iónových pohonných hmôt, ale dokáže generovať výfukové plyny, ktoré obsahujú porovnateľné množstvo kladne a záporne nabitých iónov.
Ako vysvetľujú v priebehu štúdia:
„Jeho konštrukcia je založená na princípe plazmového zrýchlenia, pričom súbežná extrakcia iónov a elektrónov sa dosahuje aplikáciou oscilujúceho elektrického poľa na mriežkovú zrýchľovaciu optiku. V tradičných mriežkových iónových tryskách sa ióny urýchľujú pomocou určeného zdroja napätia, aby medzi extrakčné siete aplikovali jednosmerné (dc) elektrické pole. V tejto práci sa vytvára jednosmerné jednosmerné napätie, keď je vysokofrekvenčný (rf) výkon pripojený k extrakčným sieťam v dôsledku rozdielu v oblasti napájaného a uzemneného povrchu v kontakte s plazmou. “
Stručne povedané, raketa vytvára výfuk, ktorý je účinne neutrálny k nábojom prostredníctvom aplikácie rádiových vĺn. To má rovnaký účinok ako pridanie elektrického poľa do ťahu a účinne sa tým eliminuje potreba neutralizátora. Ako zistili ich štúdie, Neptúnova raketa je tiež schopná generovať ťah, ktorý je porovnateľný s konvenčným iónovým raketom.
Aby ešte ďalej pokročili v technológii, spojili sa s Jamesom Dedrickom a Andrewom Gibsonom z York Plazmového inštitútu, aby študovali, ako bude trieštivo pracovať za rôznych podmienok. S Dedrickom a Gibsonom na palube začali študovať, ako môže plazmový lúč interagovať s vesmírom a či to ovplyvní jeho vyvážený náboj.
Zistili, že výfukový lúč motora hral veľkú úlohu pri udržiavaní neutrálneho lúča, kde šírenie elektrónov po zavedení do extrakčných sietí slúži na kompenzáciu priestorového náboja v plazmovom lúči. Ako uvádzajú vo svojej štúdii:
„[P] hase-resolved optická emisná spektroskopia bola použitá v kombinácii s elektrickými meraniami (funkcie distribúcie iónovej a elektrónovej energie, iónové a elektrónové prúdy a potenciál lúča) na štúdium prechodného šírenia energetických elektrónov v tečúcej plazme generovanej rf plazmový pohon s vlastným predpätím. Výsledky naznačujú, že šírenie elektrónov počas intervalu kolapsu plášťa v extrakčných sieťach pôsobí na kompenzáciu priestorového náboja v plazmovom lúči. “
Prirodzene tiež zdôrazňujú, že predtým, ako sa bude môcť použiť Neptún, bude potrebné ďalšie testovanie. Výsledky sú však povzbudivé, pretože ponúkajú možnosť ľahších a menších prúdových iónov, ktoré by umožnili kozmickú loď, ktorá je ešte kompaktnejšia a energeticky efektívnejšia. Pre vesmírne agentúry, ktoré sa snažia preskúmať solárnu sústavu (a ďalej) v rozpočte, takáto technológia nie je ničím, ak nie žiaducim!
