Plasmaantrieb ist ein Thema, das für Astronomen und Weltraumagenturen von großem Interesse ist. Als hochmoderne Technologie, die gegenüber herkömmlichen chemischen Raketen eine beträchtliche Kraftstoffeffizienz bietet, wird sie derzeit in allen Bereichen eingesetzt, von Raumfahrzeugen und Satelliten bis hin zu Erkundungsmissionen. Mit Blick auf die Zukunft wird fließendes Plasma auch auf fortschrittlichere Antriebskonzepte sowie auf magnetisch begrenzte Fusion untersucht.
Ein häufiges Problem beim Plasmaantrieb ist jedoch die Tatsache, dass er auf einem sogenannten „Neutralisator“ beruht. Dieses Instrument, mit dem Raumfahrzeuge ladungsneutral bleiben können, ist ein zusätzlicher Stromverbrauch. Glücklicherweise untersuchen ein Forscherteam der University of York und der École Polytechnique ein Plasma-Strahlruder-Design, bei dem ein Neutralisator vollständig wegfallen würde.
Anfang dieses Monats wurde eine Studie mit dem Titel „Transiente Ausbreitungsdynamik fließender Plasmen, die durch hochfrequente elektrische Felder beschleunigt werden“ detailliert beschrieben Physik der Plasmen - eine Zeitschrift des American Institute of Physics. Unter der Leitung von Dr. James Dendrick, einem Physiker des York Plasma Institute der University of York, präsentieren sie ein Konzept für ein selbstregulierendes Plasma-Triebwerk.
Grundsätzlich sind Plasmaantriebssysteme auf elektrische Energie angewiesen, um Treibgas zu ionisieren und in Plasma umzuwandeln (d. H. Negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen). Diese Ionen und Elektronen werden dann durch Motordüsen beschleunigt, um Schub zu erzeugen und ein Raumschiff anzutreiben. Beispiele hierfür sind das Gridded-Ionen- und das Hall-Effekt-Triebwerk, die beide etablierte Antriebstechnologien sind.
Das Gridden-Ionen-Triebwerk wurde erstmals in den 1960er und 70er Jahren im Rahmen des Space Electric Rocket Test (SERT) -Programms getestet. Seitdem wird es von der NASA verwendet Dämmerung Mission, die derzeit Ceres im Haupt-Asteroidengürtel erforscht. Und in Zukunft planen die ESA und JAXA, Gittereisen-Triebwerke einzusetzen, um ihre BepiColombo-Mission nach Merkur voranzutreiben.
In ähnlicher Weise wurden Hall-Effekt-Triebwerke seit den 1960er Jahren sowohl von der NASA als auch von den sowjetischen Raumfahrtprogrammen untersucht. Sie wurden erstmals im Rahmen der Mission SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology-1) der ESA eingesetzt. Diese Mission, die 2003 gestartet wurde und drei Jahre später gegen die Mondoberfläche stürzte, war die erste ESA-Mission, die zum Mond ging.
Wie bereits erwähnt, benötigen Raumfahrzeuge, die diese Triebwerke verwenden, alle einen Neutralisator, um sicherzustellen, dass sie "ladungsneutral" bleiben. Dies ist notwendig, da herkömmliche Plasma-Triebwerke mehr positiv geladene Partikel erzeugen als negativ geladene. Als solche injizieren Neutralisatoren Elektronen (die eine negative Ladung tragen), um das Gleichgewicht zwischen positiven und negativen Ionen aufrechtzuerhalten.
Wie Sie vielleicht vermuten, werden diese Elektronen von den elektrischen Energiesystemen des Raumfahrzeugs erzeugt, was bedeutet, dass der Neutralisator einen zusätzlichen Stromverbrauch darstellt. Die Zugabe dieser Komponente bedeutet auch, dass das Antriebssystem selbst größer und schwerer sein muss. Um dies zu beheben, schlug das Team von York / École Polytechnique ein Design für ein Plasma-Triebwerk vor, das selbst ladungsneutral bleiben kann.
Dieses als Neptun-Motor bekannte Konzept wurde erstmals 2014 von Dmytro Rafalskyi und Ane Aanesland, zwei Forschern des Labors für Plasmaphysik (LPP) der École Polytechnique und Co-Autoren des kürzlich erschienenen Papiers, demonstriert. Wie sie gezeigt haben, baut das Konzept auf der Technologie auf, die zur Erzeugung von Triebwerken mit Gitterionen verwendet wird, schafft es jedoch, Abgase zu erzeugen, die vergleichbare Mengen positiv und negativ geladener Ionen enthalten.
Wie sie im Verlauf ihres Studiums erklären:
„Sein Design basiert auf dem Prinzip der Plasmabeschleunigung, bei der die gleichzeitige Extraktion von Ionen und Elektronen durch Anlegen eines oszillierenden elektrischen Feldes an die Gitterbeschleunigungsoptik erreicht wird. Bei herkömmlichen Gitterionen-Triebwerken werden Ionen unter Verwendung einer bestimmten Spannungsquelle beschleunigt, um ein elektrisches Gleichstromfeld zwischen den Extraktionsgittern anzulegen. In dieser Arbeit wird eine Gleichstrom-Selbstvorspannung gebildet, wenn Hochfrequenzleistung (RF) aufgrund der unterschiedlichen Fläche der mit dem Plasma in Kontakt stehenden und geerdeten Oberflächen an die Extraktionsgitter gekoppelt wird. “
Kurz gesagt, das Triebwerk erzeugt Abgase, die durch die Anwendung von Funkwellen effektiv ladungsneutral sind. Dies hat den gleichen Effekt wie das Hinzufügen eines elektrischen Feldes zum Schub und beseitigt effektiv die Notwendigkeit eines Neutralisators. Wie ihre Studie ergab, kann das Neptun-Triebwerk auch einen Schub erzeugen, der mit einem herkömmlichen Ionen-Triebwerk vergleichbar ist.
Um die Technologie noch weiter voranzutreiben, haben sie sich mit James Dedrick und Andrew Gibson vom York Plasma Institute zusammengetan, um zu untersuchen, wie das Triebwerk unter verschiedenen Bedingungen funktionieren würde. Mit Dedrick und Gibson an Bord begannen sie zu untersuchen, wie der Plasmastrahl mit dem Weltraum interagieren könnte und ob dies seine ausgeglichene Ladung beeinflussen würde.
Sie fanden heraus, dass der Abgasstrahl des Motors eine große Rolle dabei spielte, den Strahl neutral zu halten, wobei die Ausbreitung von Elektronen nach ihrem Einbringen in die Extraktionsgitter die Raumladung im Plasmastrahl kompensiert. Wie sie in ihrer Studie feststellen:
„[P] hase-aufgelöste optische Emissionsspektroskopie wurde in Kombination mit elektrischen Messungen (Ionen- und Elektronenenergieverteilungsfunktionen, Ionen- und Elektronenströme und Strahlpotential) angewendet, um die transiente Ausbreitung energetischer Elektronen in einem fließenden Plasma zu untersuchen, das von a erzeugt wird HF-Plasma-Triebwerk mit Selbstvorspannung. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Ausbreitung von Elektronen während des Intervalls des Zusammenbruchs der Hülle an den Extraktionsgittern die Raumladung im Plasmastrahl kompensiert. “
Natürlich betonen sie auch, dass weitere Tests erforderlich sein werden, bevor ein Neptun-Triebwerk jemals verwendet werden kann. Die Ergebnisse sind jedoch ermutigend, da sie die Möglichkeit von Ionenstrahlrudern bieten, die leichter und kleiner sind, was Raumfahrzeuge ermöglichen würde, die noch kompakter und energieeffizienter sind. Für Weltraumagenturen, die das Sonnensystem (und darüber hinaus) mit kleinem Budget erkunden möchten, ist eine solche Technologie nichts, wenn nicht gar wünschenswert!
