Plasma tõukejõud pakub astronoomidele ja kosmoseagentuuridele suurt huvi. Kuna tegemist on kõrgelt arenenud tehnoloogiaga, mis pakub märkimisväärset kütusesäästlikkust võrreldes tavaliste keemiliste rakettidega, kasutatakse seda praegu kõiges alates kosmoselaevadest ja satelliitidest kuni uurimismissioonideni. Ja tulevikku vaadates uuritakse voolavat plasmat ka edasijõudnumate tõukejõukontseptsioonide ja magnetilise sulandumise jaoks.
Plasma tõukejõu tavaliseks probleemiks on aga asjaolu, et see tugineb nn neutraliseerijale. See instrument, mis võimaldab kosmoselaevadel jääda laengu suhtes neutraalseks, on täiendavaks energiatarbimiseks. Õnneks uurib Yorki ülikooli ja École Polytechnique'i teadlaste meeskond plasmatugesid, mis neutraliseerijaga täielikult kaotaksid.
Nende uuringute tulemusi üksikasjalikult kirjeldav uuring pealkirjaga “Raadiosageduslike elektriväljadega kiirendatud voolavate plasmade mööduv leviku dünaamika” ilmus selle kuu alguses Plasmade füüsika - ajakirja, mille avaldas Ameerika füüsika instituut. Yorgi ülikooli York Plasma Instituudi füüsiku dr James Dendricki juhtimisel tutvustavad nad isereguleeruva plasmatugendi kontseptsiooni.
Põhimõtteliselt sõltuvad plasma tõukejõusüsteemid elektrienergiast, et ioniseerida raketikütuse gaasi ja muuta see plasmaks (st negatiivselt laetud elektronid ja positiivselt laetud ioonid). Seejärel kiirendavad neid ioone ja elektrone mootori düüsid tõukejõu tekitamiseks ja kosmoselaeva liikumiseks. Näited hõlmavad võre-ioon- ja Halli-efektorit, mis mõlemad on väljakujunenud tõukejõu tehnoloogia.
Griddeni-ioonide tõukajat katsetati esmakordselt 1960ndatel ja 70ndatel kosmoseelektriliste rakettide testimise (SERT) programmi osana. Sellest ajast alates on seda kasutanud NASA Koit missioon, mis uurib praegu Cerese peamises asteroidi vööndis. Ja tulevikus kavatsevad ESA ja JAXA kasutada BeidColombo missiooni elavhõbedaks tõmbamiseks rauast tõukejõu.
Samamoodi on nii NASA kui ka Nõukogude kosmoseprogrammid alates 1960. aastatest uurinud Halli efektiga tõukejõude. Esmakordselt kasutati neid ESA väikeste missioonidena kõrgtehnoloogiliste teadusuuringute tehnoloogia-1 (SMART-1) missiooni osana. See 2003. aastal alustatud ja kolm aastat hiljem Kuu pinnale kukkunud missioon oli esimene ESA missioon Kuule.
Nagu märgitud, vajavad kõik neid tõukejõudu kasutavad kosmoseaparaadid neutraliseerijat, et tagada nende laetuse neutraalsus. See on vajalik, kuna tavalised plasma tõukejõud tekitavad positiivsemalt laetud osakesi kui negatiivselt laetud osakesed. Seega süstivad neutraliseerijad positiivsete ja negatiivsete ioonide vahelise tasakaalu säilitamiseks elektronid (millel on negatiivne laeng).
Nagu võite arvata, genereerivad need elektronid kosmoselaeva elektrisüsteemid, mis tähendab, et neutraliseerija on täiendav elektrienergia äravool. Selle komponendi lisamine tähendab ka seda, et käitussüsteem ise peab olema suurem ja raskem. Selle probleemi lahendamiseks tegi York / École polütehnikumi meeskond ettepaneku plasmapritsi jaoks, mis võib iseseisvalt olla laengu suhtes neutraalne..
Neptuuni mootorina tuntud seda kontseptsiooni demonstreerisid 2014. aastal esmakordselt Dmytro Rafalskyi ja Ane Aanesland, kaks École Polytechnique’i plasmafüüsika laboratooriumi (LPP) teadurit ja kaasautorid hiljuti avaldatud paberil. Nagu nad demonstreerisid, tugineb kontseptsioon tehnoloogiale, mida kasutatakse võrgustatud iooniga tõukejõu loomiseks, kuid suudab genereerida heitgaase, mis sisaldab võrreldavas koguses positiivselt ja negatiivselt laetud ioone.
Nagu nad oma uuringu käigus selgitavad:
„Selle konstrueerimine põhineb plasmakiirenduse põhimõttel, mille kohaselt ioonide ja elektronide kokkulangev ekstraheerimine saavutatakse võnkuva elektrivälja rakendamisel ruudustusega kiirendusoptikale. Traditsiooniliste võrega ioontraktorite puhul kiirendatakse ioone selleks ette nähtud pingeallika abil, et rakendada väljavooluvõrkude vahel alalisvoolu (DC) elektrivälja. Selles töös moodustub alalisvoolu iseenesliku nihke pinge, kui raadiosageduslik (rf) võimsus on ühendatud ekstraheerimisvõretega plasmaga kokkupuutuvate toitega ja maandatud pindalade erinevuse tõttu. ”
Lühidalt - tõukejõud tekitab raadiolainete abil heitgaasi, mis on tõhusalt laeng-neutraalne. Sellel on sama efekt, kui lisatakse tõukejõule elektriväli ja kaob tõhusalt vajadus neutraliseerija järele. Nagu nende uuringus selgus, on Neptuuni tõukejõud võimeline genereerima ka tõukejõudu, mis on võrreldav tavalise ioonipurustajaga.
Tehnoloogia edasiarendamiseks pidasid nad koos James Dedricki ja Andrew Gibsoniga York Plasma Institute'ist koostööd, et uurida, kuidas põrkemehhanism erinevatel tingimustel töötaks. Kui pardal olid Dedrick ja Gibson, hakkasid nad uurima, kuidas plasmakiir kosmosega suhelda võib ja kas see mõjutab selle tasakaalustatud laengut.
Nad leidsid, et mootori heitgaasikiir etendas kiiret neutraalsuse hoidmist, kus elektronide levik pärast nende ekstraheerimisvõredesse viimist kompenseerib ruumilaengut plasmakiirega. Nagu nad oma uuringus väidavad:
„Elektriliste mõõtmistega (ioonide ja elektronide energiajaotuse funktsioonid, ioonide ja elektronide voolud ning kiirguse potentsiaal) on rakendatud [P] hajutise lahutusega optilise emissiooni spektroskoopiat, et uurida energiliste elektronide mööduvat levikut voolavas plasmas, mille tekitab rf iseenda eelarvamusega juhitav plasma tõukejõud. Tulemused viitavad sellele, et elektronide levik kesta kokkuvarisemise ajal ekstraheerimisvõredes kompenseerib ruumi kiirust plasma kiires. "
Loomulikult rõhutavad nad ka seda, et enne Neptuuni tõukejõu kasutamist on vaja veel katsetada. Kuid tulemused on julgustavad, kuna need pakuvad kergemate ja väiksemate ioontraktorite võimalust, mis võimaldaks veelgi kompaktsemaid ja energiatõhusamaid kosmoselaevu. Kosmoseagentuuride jaoks, kes soovivad uurida eelarves Päikesesüsteemi (ja kaugemalgi), pole selline tehnoloogia midagi, kui mitte soovitav!
