Fizikams.lt

NASA plazma variklį pasirinko todėl, kad jis yra labai efektyvus, ns jam tereikia tik dešimtadalio kuro kiekio, kuris būtų reikalingas įprastinėms cheminėms raketoms. Naudojant tradicinę raketą, būtų galima pasiekti tik Vestą arba Ceres, bet ne juos abudu.

Elektrinės raketos, kaip jos dar vadinamos, sparčiai tampa geriausiu pasirinkimu tolimiems skrydžiams. Taip ji leido NASA "Deep Space 1" zondui aplankyti kometą, - papildomą kelionę, kai buvo atlikta pagrindinė užduotis. Ji naudota japonų "Hayabusa" zondo bandymui nusileisti į asteroidą, o taip Europos SMART-1 skrydžiui į Mėnulį. Ir nors tik dabar pradedama naudoti tolimiems skrydžiams, minėta technologija buvo sėkmingai naudojama kosmose kitiems tikslams.

Gar pirmame 20 a. dešimtmetyje raketų kūrimo pionieriai išsakė mintis apie elektros panaudojimą kosminiuose aparatuose. Bet tik Ernst Stuhlinger, legendinės vokiečių W. von. Braun komandos narys, 6-ojo dešimtm. viduryje koncepciją padarė praktiškai naudojama technologija. Po kelių metų NASA inžinieriai sukūrė pirmą veikiančia elektrinė raketą. Ji buvo išbandyta 1964 m. ir veikė pusvalandį.

Tarybų Sąjungoje buvo vykdomi nepriklausomi tyrinėjimai. Nuo 1970-ųjų buvo pasirinkta ši technologija, nes ji gali būti panaudota telekomunikacinių palydovų korekcijoms išlaikant geosinchroninę orbitą.

Neteisinga samprata, kad kosminę erdvė kosminiai aparatai skrodžia lydimi liepsnos liežuvių. Iš tikro, raketinis veikimas tevyksta trumpą laiką pačioje pradžioje, o visą likusį laiką jis tiesiog sklendžia erdvėje artėdamas prie tikslo. Tradicinės raketos gali būti panaudojamos skrydžio koregavimui, tačiau nėra praktiškos perskridimams kosmose, nes turi gabentis didelius kuro kiekius (papildomo 0,5 kg iškėlimas į Žemės orbitą kainuoja gerokai virš 10 tūkst. dolerių). Be to, tradicinės cheminės raketos turi dar vieną apribojimą - jos užtikrina palyginti nedidelį dujų išmetimo greitį (3-4 km/sek.). Tad, pvz., kelionei į Marsą, kurui skirti reikia daugiau nei 2/3 kosminio aparato masės. Tolimesnėms ambicijoms patenkinti ta dalis gerokai padidėja (pasiekia per 99%).

Kad pasiektų tolimą tikslą be papildomo kuro, daugelis zondų praeityje sudėtinga trajektorija skriedavo metų metus, "atsispirdami" nuo planetų ir jų palydovų. Tad galimos skrydžių starto datos turėjo būti labai kruopščiai parenkamos. Dar blogiau, kad po metus trukusios kelionės kosminis aparatas neturėjo kuro stabdymui. Tad jis turėjo tik ribotą laiką kosmoso objekto tyrimui - pvz., 2006 m. paleistas NASA zondas po 9 m. skrydžio teturės tik vieną dieną Plutono tyrinėjimui.

Plazma varikliai leidžia pasiekti gerokai didesnį dujų išmetimo greitį. Vietoje to, kad degintų kurą, elektrinis laukas veikia įelektrintas daleles. Plazma sukuriama dujoms perduodant papildomą energiją, pvz., kaitinant lazeriu, radijo ar mikrobangomis, veikiant stipriais elektros laukais. Papildoma energija leidžia elektronams atitrūkti nuo atomų ir susidaro jonizuotos dujos. Tad elektrinis ar magnetinis laukas gali nepaprastai pagreitinti tas dujas ir nukreipti reikiama kryptimi.

Elektrodams ir magnetams reikalingą energiją paprastai teikia Saulės baterijos, tačiau tolimiems skrydžiams (už Marso), tektų naudoti branduolinius energijos šaltinius. Dabartiniai nedideli zondai naudoja termoelektrinius įrenginius, kuriuos kaitina radioaktyvaus izotopo atsargos, tačiau labiau ambicingiems skrydžiams tektų turėti branduolinius reaktorius - kurie būtų įjungiami tik saugiu atstumu nuo Žemės.

Šiuo metu yra išvystytos trys plazma varančių variklių sistemos. Labiausiai naudojama yra ir "Dawn" zonde - tai joninis variklis. Keli tuzinai joninių variklių veikia kosmose, daugiausia telekomunikacijų palydovuose.

Joninio variklio ištakos siekia Amerikos raketų pionieriaus Robert. H. Goddard, kai šis dar tebuvo Worcester Politechnikos instituto studentas (maždaug prieš šimtmetį). Joniniai varikliai įstengia pasiekti 20-50 km/sek. dujų išmetimo greitį.

Dažniausiai sutinkamoje realizacijoje joninis variklis elektros energiją gauna iš fotovoltinių panelių. Tai suplotas cilindras, ne didesnis nei kibirėlis, įtaisytas užpakalinėje dalyje. Per "kibirėlį" ksenono dujos teka iš bako į jonizacijos kamerą, kurioje elektromagnetinis laukas nuplėšia elektronus. Teigiami jonai įgreitinami elektrinio lauko, sukuriamo tarp dviejų elektrodų tinklelių ir išmetami lauk.

Teigiamiems jonams išskridus, pats kosminis aparatas būtų neigiamai įelektrintas likusių elektronų ir trauktų atgal išmestus teigiamus jonus - ir taip prarandant varomąją jėgą. Tam skirtas išorinis elektronų šaltinis (neigiamas katodas ar elektronų patranka) įšvirkščia elektronus į teigiamų dalelių srautą taip jį neutralizuojant - ir kosminis aparatas lieka neutralus.

20 a. pabaigoje "Deep Space 1" tapo pirmuoju aparatu, kuris elektrinį variklį panaudojo, kad paliktų Žemės gravitacinį lauką. Zondas pagreitėjo 4,3 km/sek. tesunaudodamas mažiau nei 74 kg ksenono, kad galėtų praskrieti pro Borrelly kometos uodegą, sudarytą iš dulkių. Tai buvo tuo metu didžiausias pasiektas pagreitėjimas. "Dawn" turėtų viršyti šį rekordą, greitį padidindamas 10 km/sek. NASA inžinieriai demonstravo joninius variklius, galinčius be sutrikimo veikti per 3 m.

Plazminių raketų efektyvumas nusakomas ne tik išeinančių dalelių greičiu, bet ir jų srauto tankiu, kuris priklauso nuo jų generavimo pajėgumo. Joniniai varikliai kenčia nuo vieno trūkumų, vadinamo erdvės įelektrinimo apribojimu, gerokai sumažinančiu srauto tankį: kai teigiami jonai praeina tarp elektrostatinių tinklelių, toje srityje neišvengiamai susidaro teigiamas elektros krūvis, kuris trukdo elektros laukui greitinti dujas. Dėl šio reiškinio "Deep Space 1" joninis variklis sukuria srautą, kuris yra tarsi vieno popieriaus laposvoris (tokia trauka automobilį iki 100 km greitintų dvi paras). Tačiau, kadangi nėra kur skubėti tolimose zondų kelionėse, tad galima ir pakentėti kelis mėnesius, kol bus pasiektas reikiamas greitis. Mat vakuume, kuriame nėra trinties, net nežymus stumtelėjimas duoda ilgalaikį poveikį.

Minėto reiškinio išvengia Hall variklis, todėl jis kosminį aparatą gali pagreitinti per trumpesnį laiką. Ši technologija Vakaruose imta vystyti paskutiniajame 20 dešimtm., nors TSRS jį tyrinėta apie 30 m. Sistema remiasi 1879 m. Edwin H. Hall (tuo metu Johns Hopkins universiteto studento) atrastu efektu: kai elektrinis ir magnetinis laukai yra statmeni laidininko viduje, elektros srov4 (vadinama Hall srove) teka kryptimi, statmena abiem laukams.

Hall variklyje plazma sukuriama, kai neutraliose dujose įrenginio viduje įvyksta elektros iškrova tarp vidinio teigiamo anodo ir neigiamo katodo. Tada plazma pagreitinama Lorenco jėgos, sukeliamos cilindre sąveikaujant radialiniam magnetiniam laukui ir elektros srovei (šiuo atveju Hall srovei), tekančiai azimuto kryptimi (t.y. ratu aplink centrinį anodą). Hall srovę sukelia elektronų judėjimas magnetiniame ir elektriniame laukuose. Priklausomai nuo galingumo, išmetamų dujų greitis siekia 10-50 km/sek.

Ši elektrinės raketos atmaina išvengia erdvės įelektrinimo problemos greitindama visą plazmą (tiek teigiamus jonus, tiek neigiamus elektronus), todėl pasiekiamas didesnis išmetamų dujų tankis ir tuo pačiu didesnė stumiamoji jėga. Per 200 Hall variklių įrengta dirbtiniuose Žemės palydovuose. Ir būtent jį Europos Kosmoso agentūra panaudojo SMART-1 skrydžiui į Mėnulį.

Prinstono Plazmos fizikos laboratorija patobulino sistemą į Hall variklio sieneles įmontuodami segmentuotus elektronus, kurie formuoja vidinį elektrinį lauką, leidžiantį plazmą fokusuoti į ploną spindulį. Tai leidžia padidinti sistemos veikimo gyvavimo trukmę, nes plazma neliečia įrenginio sienelių. Vokiečių mokslininkai panašų efektą pasiekė naudodami specialius magnetinius laukus. Stanfordo universiteto tyrinėtojai parodė, kad sienelių padengimas plonu polikristaliniu deimantu gerokai padidina įrenginio atsparumą plazmos erozijai. Tie patobulinai Hall variklį daro priimtiną tolimiems skrydžiams.

Hall variklio trauką dar labiau padidintų bendras greitinamos plazmos kiekis. Tačiau jos tankiui padidėjus, elektronai pradeda dažniau susidurti su atomais ir jonais, todėl darosi sunkiau valdyti Hall srovę. Alternatyva vadinama magnetoplazmadinaminis variklis (MPDT), užtikrinantis didesnį plazmos tankį. atsisakant Hall srovės.

Bendrais žodžiais, MPDT yra sudarytas iš centrinio katodo, įrengto platesniame cilindro formos anode. Dujos, paprastai ličio, pumpuojamos į tarpą tarp katodo ir anodo, kur yra jonizuojamos elektros srovės radiališkai tekančios iš katodo į anodą. Ši srovė sukelia azimutu nukreiptą magnetinį lauką (aplink centrinį katodą), kuris sąveikaudamas su ta pačia srove, sukuria Lorenco jėgą, panaudojamą dujų išmetimui.

Kibiro dydžio MPDT variklis gali milijonų vatų elektros energiją, kurią pagamina Saulės baterijos ar branduolinis šaltinis, paversti varomąja jėga, gerokai viršijančia joninių ar Hall variklių pajėgumą. MPDT gali sukurti 15-60 km/sek. išmetimo greitį. Be to, išmetimo greitis ir tankis gali būti lengvai valdomi reguliuojant elektros srovės stiprumą ar pateikiamų dujų kiekį.

Intensyvūs tyrinėjimai klausimų, susijusių su MPDT efektyvu ir gyvavimo ciklu, kaip elektrodų erozija, plazmos nestabilumas ir energijos išsibarstymas plazmoje, leido sukurti naujesnius ir efektyvesnius variklius, naudojančius ličio ir berilio garus. Šie elementai lengvai jonizuojami, praranda mažiau energijos plazmoje ir leidžia katodui išlikti vėsesniam.

Akademinių sluoksnių ir NASA tyrinėtojai neseniai užbaigė MPDT-2 ličio variklį, kuris galėtų būti įrengtas branduolinį šaltinį turinčiame kosminiame aparate, galintį gabenti sunkų krovinį į Mėnulį ir Marsą, o taip pat būti naudojamas tolimų skrydžių zonduose.

Tačiau tyrinėtojai vysto ir kitas nemažai žadančias koncepcijas, kurios šiuo metu yra skirtingame paruošimo lygyje. Vieni jų yra pulsiniai varikliai, veikiantys trumpą laiką; kiti - pastoviai veikiantys. Vieni jų kuria plazmą elektrodų sukeliama iškrova, kiti magnetine indukcija ar antenų sukeliamu spinduliavimu. Skiriasi ir plazmos greitinimo būdai: vienuose - Lorenco jėga, kituose magnetinio lauko sukeltų elektros srovių dėka ar elektromagnetinėmis bangomis. Viename jų plazma išmetama per nematomas magnetines "raketos žiotis".