Plasma-voortstuwing is een onderwerp dat zeer in de belangstelling staat van astronomen en ruimtevaartorganisaties. Als een zeer geavanceerde technologie die aanzienlijk zuiniger is dan conventionele chemische raketten, wordt het momenteel in alles gebruikt, van ruimtevaartuigen en satellieten tot verkenningsmissies. En kijkend naar de toekomst, wordt stromend plasma ook onderzocht voor geavanceerdere voortstuwingsconcepten, evenals magnetische opgesloten fusie.
Een veelvoorkomend probleem bij plasma-voortstuwing is het feit dat het afhankelijk is van wat bekend staat als een "neutralisator". Dit instrument, waardoor ruimtevaartuigen ladingneutraal kunnen blijven, is een extra aanslag op de stroom. Gelukkig onderzoekt een team van onderzoekers van de Universiteit van York en École Polytechnique een ontwerp van een plasma-thruster dat een neutralisator helemaal zou wegdoen.
Eerder deze maand verscheen een studie met hun onderzoeksresultaten - getiteld "Voorbijgaande voortplantingsdynamiek van stromende plasma's versneld door radiofrequente elektrische velden" - Fysica van plasma's - een tijdschrift uitgegeven door het American Institute of Physics. Onder leiding van Dr. James Dendrick, een fysicus van het York Plasma Institute aan de Universiteit van York, presenteren ze een concept voor een zelfregulerende plasmabunker.
In feite zijn plasma-voortstuwingssystemen afhankelijk van elektrisch vermogen om drijfgas te ioniseren en om te zetten in plasma (d.w.z. negatief geladen elektronen en positief geladen ionen). Deze ionen en elektronen worden vervolgens versneld door motormondstukken om stuwkracht te genereren en een ruimtevaartuig voort te stuwen. Voorbeelden hiervan zijn de Gridded-ion en Hall-effect boegschroef, beide gevestigde voortstuwingstechnologieën.
De Gridden-ion boegschroef werd voor het eerst getest in de jaren 60 en 70 als onderdeel van het Space Electric Rocket Test (SERT) programma. Sindsdien wordt het gebruikt door NASA's Dageraad missie, die momenteel Ceres in de Main Asteroid Belt verkent. En in de toekomst zijn ESA en JAXA van plan om Rooster-ijzeren stuwraketten te gebruiken om hun BepiColombo-missie naar Mercurius te stuwen.
Evenzo zijn Hall-effect stuwraketten sinds de jaren zestig onderzocht door zowel NASA als de Sovjet ruimteprogramma's. Ze werden voor het eerst gebruikt als onderdeel van de missie ESA's Small Missions for Advanced Research in Technology-1 (SMART-1). Deze missie, die in 2003 werd gelanceerd en drie jaar later in het maanoppervlak neerstortte, was de eerste ESA-missie die naar de maan ging.
Zoals opgemerkt, hebben ruimtevaartuigen die deze stuwraketten gebruiken allemaal een neutralisator nodig om ervoor te zorgen dat ze "ladingneutraal" blijven. Dit is nodig omdat conventionele plasma-stuwraketten positiever geladen deeltjes genereren dan negatief geladen deeltjes. Als zodanig injecteren neutralisatoren elektronen (die een negatieve lading dragen) om de balans tussen positieve en negatieve ionen te behouden.
Zoals je zou vermoeden, worden deze elektronen gegenereerd door de elektrische energiesystemen van het ruimtevaartuig, wat betekent dat de neutralisator een extra ontlading van de stroom is. De toevoeging van dit onderdeel betekent ook dat het voortstuwingssysteem zelf groter en zwaarder moet worden. Om dit aan te pakken, stelde het York / École Polytechnique-team een ontwerp voor voor een plasma-boegschroef die op zichzelf lading-neutraal kan blijven.
Bekend als de Neptune-motor, werd dit concept voor het eerst gedemonstreerd in 2014 door Dmytro Rafalskyi en Ane Aanesland, twee onderzoekers van het École Polytechnique’s Laboratory of Plasma Physics (LPP) en co-auteurs van het recente artikel. Zoals ze aantoonden, bouwt het concept voort op de technologie die wordt gebruikt om roosters met gerasterde ionen te maken, maar slaagt het erin uitlaatgassen te genereren die vergelijkbare hoeveelheden positief en negatief geladen ionen bevatten.
Zoals ze tijdens hun studie uitleggen:
“Het ontwerp is gebaseerd op het principe van plasmaversnelling, waarbij de toevallige extractie van ionen en elektronen wordt bereikt door een oscillerend elektrisch veld toe te passen op de gerasterde versnellingsoptiek. In traditionele roosters met gerasterde ionen worden ionen versneld met behulp van een aangewezen spanningsbron om een gelijkstroom (dc) elektrisch veld aan te leggen tussen de extractieroosters. In dit werk wordt een gelijkspanning met eigen voorspanning gevormd wanneer hoogfrequent (rf) vermogen wordt gekoppeld aan de extractieroosters vanwege het verschil in het gebied van de aangedreven en geaarde oppervlakken die in contact komen met het plasma. "
Kortom, de boegschroef zorgt voor uitlaatgassen die effectief ladingneutraal zijn door toepassing van radiogolven. Dit heeft hetzelfde effect als het toevoegen van een elektrisch veld aan de stuwkracht, en elimineert effectief de noodzaak van een neutralisator. Zoals uit hun studie bleek, is de Neptune thruster ook in staat stuwkracht te genereren die vergelijkbaar is met een conventionele ionen thruster.
Om de technologie nog verder te ontwikkelen, werkten ze samen met James Dedrick en Andrew Gibson van het York Plasma Institute om te bestuderen hoe de boegschroef onder verschillende omstandigheden zou werken. Met Dedrick en Gibson aan boord begonnen ze te bestuderen hoe de plasmabundel met de ruimte zou kunnen interageren en of dit de gebalanceerde lading zou beïnvloeden.
Wat ze ontdekten was dat de uitlaatstraal van de motor een grote rol speelde bij het neutraal houden van de straal, waarbij de voortplanting van elektronen nadat ze bij de extractieroosters zijn geïntroduceerd, de ruimtelading in de plasmastraal compenseert. Zoals ze in hun studie stellen:
“[P] hase-resolved optische emissiespectroscopie is toegepast in combinatie met elektrische metingen (ionen- en elektronenenergieverdelingsfuncties, ionen- en elektronenstromen en bundelpotentiaal) om de transiënte voortplanting van energetische elektronen in een stromend plasma, gegenereerd door een rf self-bias gedreven plasma boegschroef. De resultaten suggereren dat de voortplanting van elektronen tijdens het inklappen van de schede bij de extractieroosters de ruimtelading in de plasmastraal compenseert. ”
Natuurlijk benadrukken ze ook dat er nog meer tests nodig zijn voordat een Neptune thruster ooit kan worden gebruikt. Maar de resultaten zijn bemoedigend, omdat ze de mogelijkheid bieden van ionen stuwraketten die lichter en kleiner zijn, waardoor ruimtevaartuigen nog compacter en energiezuiniger zouden zijn. Voor ruimteagentschappen die het zonnestelsel (en daarbuiten) met een beperkt budget willen verkennen, is dergelijke technologie niets anders dan wenselijk!
