دفع البلازما هو موضوع ذو اهتمام كبير لعلماء الفلك ووكالات الفضاء. كتكنولوجيا متقدمة للغاية توفر كفاءة كبيرة في استهلاك الوقود مقارنة بالصواريخ الكيميائية التقليدية ، يتم استخدامها حاليًا في كل شيء من المركبات الفضائية والأقمار الصناعية إلى المهام الاستكشافية. وبالنظر إلى المستقبل ، يتم أيضًا فحص البلازما المتدفقة بحثًا عن مفاهيم دفع أكثر تقدمًا ، بالإضافة إلى الاندماج المحصور المغناطيسي.
ومع ذلك ، فإن المشكلة الشائعة في دفع البلازما هي حقيقة أنها تعتمد على ما يعرف باسم "المعادل". هذه الأداة ، التي تسمح للمركبة الفضائية بالبقاء محايدة الشحن ، هي استنزاف إضافي للطاقة. لحسن الحظ ، يبحث فريق من الباحثين من جامعة يورك وإيكول بوليتكنيك عن تصميم قاذف للبلازما من شأنه التخلص من المُعادل تمامًا.
تم نشر دراسة تفصيلية لنتائج أبحاثهم - بعنوان "ديناميكيات الانتشار العابر للبلازما المتدفقة المعجلة بواسطة المجالات الكهربائية للترددات اللاسلكية" - في وقت سابق من هذا الشهر في فيزياء البلازما - مجلة نشرها المعهد الأمريكي للفيزياء. بقيادة الدكتور جيمس دندريك ، الفيزيائي من معهد يورك للبلازما في جامعة يورك ، يقدمون مفهومًا عن الدافع الذاتي للبلازما.
بشكل أساسي ، تعتمد أنظمة دفع البلازما على الطاقة الكهربائية لتأين غاز دافع وتحويله إلى بلازما (أي إلكترونات مشحونة سلبًا وأيونات ذات شحنة موجبة). ثم يتم تسريع هذه الأيونات والإلكترونات بفوهات المحرك لتوليد الدفع ودفع المركبة الفضائية. تشمل الأمثلة على Gridded-ion و Hall-Effect thruster ، وكلاهما من تقنيات الدفع الراسخة.
تم اختبار صاروخ الأيونات الخفية لأول مرة في الستينيات والسبعينيات كجزء من برنامج اختبار الصواريخ الكهربائية الفضائية (SERT). منذ ذلك الحين ، تم استخدامه من قبل وكالة ناسا فجر المهمة ، التي تستكشف حاليًا سيريس في حزام الكويكبات الرئيسي. وفي المستقبل ، تخطط وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء اليابانية (جاكسا) لاستخدام دفعات الحديد الشباك لدفع مهمتها BepiColombo إلى عطارد.
وبالمثل ، تم التحقيق في دفعات تأثير هول منذ الستينيات من قبل كل من وكالة ناسا وبرامج الفضاء السوفيتية. تم استخدامها لأول مرة كجزء من مهمة ESA الصغيرة للبحث المتقدم في التكنولوجيا -1 (SMART-1). كانت هذه المهمة ، التي انطلقت في عام 2003 وتحطمت في سطح القمر بعد ثلاث سنوات ، أول مهمة لوكالة الفضاء الأوروبية تذهب إلى القمر.
كما لوحظ ، فإن المركبات الفضائية التي تستخدم هذه الدفعات تتطلب جميعها معادلًا لضمان بقائها "محايدة الشحن". يعد ذلك ضروريًا لأن أجهزة الدفع التقليدية بالبلازما تولد جزيئات ذات شحنة موجبة أكثر من الجسيمات المشحونة سلبًا. على هذا النحو ، يقوم المعادلون بحقن الإلكترونات (التي تحمل شحنة سالبة) من أجل الحفاظ على التوازن بين الأيونات الموجبة والسالبة.
كما قد تشك في أن هذه الإلكترونات يتم إنشاؤها بواسطة أنظمة الطاقة الكهربائية الخاصة بالمركبة الفضائية ، مما يعني أن المحايد هو استنزاف إضافي للطاقة. تعني إضافة هذا المكون أيضًا أن نظام الدفع نفسه يجب أن يكون أكبر وأثقل. ولمعالجة ذلك ، اقترح فريق يورك / إيكول بوليتكنيك تصميمًا لمدفع البلازما الذي يمكن أن يظل محايدًا الشحن من تلقاء نفسه.
عُرف هذا المفهوم باسم محرك نبتون ، وقد تم عرض هذا المفهوم لأول مرة في عام 2014 من قبل Dmytro Rafalskyi و Ane Aanesland ، وهما باحثان من مختبر إيكول بوليتكنيك لفيزياء البلازما (LPP) والمؤلفين المشاركين في الورقة الأخيرة. كما أوضحوا ، يبني المفهوم على التكنولوجيا المستخدمة في إنشاء دفعات أيون شبكية ، ولكنه يتمكن من توليد عادم يحتوي على كميات مماثلة من الأيونات المشحونة سلبًا وإيجابًا.
كما يشرحون أثناء دراستهم:
“يعتمد تصميمها على مبدأ تسريع البلازما ، حيث يتم تحقيق الاستخراج المتزامن للأيونات والإلكترونات من خلال تطبيق مجال كهربائي متذبذب على بصريات التسارع الشبكية. في محركات الدفع الشبكية التقليدية ، يتم تسريع الأيونات باستخدام مصدر جهد معين لتطبيق مجال كهربائي للتيار المباشر (DC) بين شبكات الاستخراج. في هذا العمل ، يتم تشكيل جهد التحيز الذاتي للتيار المستمر عندما تقترن طاقة التردد اللاسلكي (rf) بشبكات الاستخراج بسبب الاختلاف في مساحة الأسطح التي تعمل بالطاقة والأرضية الملامسة للبلازما. "
باختصار ، يخلق الدافع عادمًا محايدًا بشكل فعال من خلال تطبيق موجات الراديو. هذا له نفس تأثير إضافة مجال كهربائي إلى الدفع ، ويزيل بشكل فعال الحاجة إلى محايد. كما وجدت دراستهم ، فإن محرك نبتون قادر أيضًا على توليد قوة دفع تضاهي الدافع الأيوني التقليدي.
لتطوير التكنولوجيا أكثر ، تعاونوا مع جيمس ديدريك وأندرو جيبسون من معهد يورك بلازما لدراسة كيفية عمل الدافع في ظروف مختلفة. مع وجود Dedrick و Gibson ، بدأوا في دراسة كيفية تفاعل حزمة البلازما مع الفضاء وما إذا كان هذا سيؤثر على شحنتها المتوازنة.
ما وجدوه هو أن شعاع عادم المحرك لعب دورًا كبيرًا في الحفاظ على الشعاع محايدًا ، حيث يعمل انتشار الإلكترونات بعد إدخالها في شبكات الاستخراج لتعويض الشحنة الفضائية في حزمة البلازما. كما يذكرون في دراستهم:
"تم تطبيق التحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية محلول hase مع قياسات كهربائية (وظائف توزيع الطاقة الأيونية والإلكترونية ، وتيارات الأيونات والإلكترونات ، وإمكانات الشعاع) لدراسة الانتشار العابر للإلكترونات النشطة في البلازما المتدفقة الناتجة عن التحيز الذاتي مدفوعة الدافع البلازما. تشير النتائج إلى أن انتشار الإلكترونات خلال فترة انهيار الغلاف في شبكات الاستخراج يعمل على تعويض الشحنة الفضائية في حزمة البلازما ".
بطبيعة الحال ، يؤكدون أيضًا على أنه ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات قبل أن يتم استخدام محرك نبتون. لكن النتائج مشجعة ، حيث أنها توفر إمكانية استخدام أجهزة دفع أيونية أخف وأصغر ، الأمر الذي سيسمح بالمركبات الفضائية التي تكون أصغر حجمًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. بالنسبة لوكالات الفضاء التي تتطلع إلى استكشاف النظام الشمسي (وما بعده) بميزانية محدودة ، فإن مثل هذه التكنولوجيا ليست شيئًا إن لم تكن مرغوبة!
