พลาสม่าขับเคลื่อนเป็นเรื่องที่สนใจของนักดาราศาสตร์และหน่วยงานอวกาศ ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีขั้นสูงที่ให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าจรวดสารเคมีทั่วไปมันถูกใช้ในทุกอย่างตั้งแต่ยานอวกาศและดาวเทียมไปจนถึงภารกิจสำรวจ และเมื่อมองถึงอนาคตพลาสม่าไหลที่กำลังถูกตรวจสอบสำหรับแนวคิดการขับเคลื่อนขั้นสูงเพิ่มเติมรวมทั้งฟิวชั่นที่มีสนามแม่เหล็ก จำกัด
อย่างไรก็ตามปัญหาที่พบบ่อยในการขับเคลื่อนพลาสมาคือความจริงที่ว่ามันขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรียกว่า "neutralizer" เครื่องมือนี้ซึ่งทำให้ยานอวกาศยังคงมีประจุเป็นกลางเป็นพลังงานเพิ่มเติมที่ระบายออก โชคดีที่ทีมนักวิจัยจาก University of York และÉcole Polytechnique กำลังตรวจสอบการออกแบบแบบ thruster ของพลาสมาที่จะทำให้เกิดความเป็นกลางโดยรวม
การศึกษารายละเอียดผลการวิจัยของพวกเขา - ชื่อ“ พลวัตการขยายพันธุ์ชั่วคราวของ plasmas ไหลเร่งโดยสนามไฟฟ้าความถี่คลื่นวิทยุ” - เผยแพร่เมื่อต้นเดือนใน ฟิสิกส์ของ Plasmas - วารสารที่ตีพิมพ์โดย American Institute of Physics นำโดยดร. เจมส์เด็นดริกนักฟิสิกส์จากสถาบันพลาสม่ายอร์คที่มหาวิทยาลัยยอร์คพวกเขานำเสนอแนวคิดสำหรับทรัสเตอร์พลาสมาที่ควบคุมตนเอง
โดยพื้นฐานแล้วระบบขับเคลื่อนของพลาสมาจะอาศัยพลังงานไฟฟ้าในการทำให้เกิดก๊าซไอโซโทปเป็นไอออนและเปลี่ยนให้เป็นพลาสมา (เช่นอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและไอออนที่มีประจุบวก) ไอออนและอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกเร่งด้วยหัวฉีดของเครื่องยนต์เพื่อสร้างแรงขับและขับเคลื่อนยานอวกาศ ตัวอย่าง ได้แก่ Gridded-ion และ Hall-effect thruster ซึ่งทั้งสองอย่างนี้เป็นเทคโนโลยีการขับเคลื่อน
เครื่องทรัสไอออนแบบ Gridden-ion ได้รับการทดสอบครั้งแรกในปี 1960 และ 70s ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม Space Electric Rocket Test (SERT) ตั้งแต่นั้นมามันก็ถูกใช้โดย NASA รุ่งอรุณ ภารกิจซึ่งกำลังสำรวจเซเรสในแถบดาวเคราะห์น้อยหลัก และในอนาคต ESA และ JAXA วางแผนที่จะใช้เครื่องขับดันเหล็ก Gridded เพื่อขับเคลื่อนภารกิจ BepiColombo ของพวกเขาสู่ดาวพุธ
ในทำนองเดียวกัน thrusters Hall-effect ได้รับการตรวจสอบตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 โดยทั้งโปรแกรมอวกาศของนาซ่าและโซเวียต พวกเขาถูกใช้ครั้งแรกเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจเล็ก ๆ ของ ESA สำหรับการวิจัยขั้นสูงด้านเทคโนโลยี -1 (SMART-1) ภารกิจนี้ซึ่งเปิดตัวในปี 2003 และชนเข้ากับพื้นผิวดวงจันทร์ในอีกสามปีต่อมาเป็นภารกิจ ESA แรกที่ไปสู่ดวงจันทร์
ยานอวกาศที่ใช้เครื่องขับดันเหล่านี้จำเป็นต้องมีเครื่องมือทำให้เป็นกลางเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขายังคง สิ่งนี้มีความจำเป็นเนื่องจากเครื่องขับดันพลาสมาแบบธรรมดาสร้างอนุภาคที่มีประจุบวกมากกว่าที่ทำประจุลบ เช่นนี้ neutralizers ฉีดอิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุลบ) เพื่อรักษาสมดุลระหว่างประจุบวกและประจุลบ
ในขณะที่คุณอาจสงสัยว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยระบบพลังงานไฟฟ้าของยานอวกาศซึ่งหมายความว่าตัววางตัวเป็นกลางจะระบายพลังงานเพิ่มเติม การเพิ่มส่วนประกอบนี้ยังหมายความว่าระบบขับเคลื่อนนั้นจะต้องมีขนาดใหญ่และหนักขึ้น เพื่อแก้ไขปัญหานี้ทีมงาน York / École Polytechnique ได้เสนอการออกแบบสำหรับพลาสมาแบบทรัสเตอร์ซึ่งสามารถคงความเป็นกลางได้ด้วยตนเอง.
แนวคิดนี้ได้รับการแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกในปี 2557 โดย Dmytro Rafalskyi และ Ane Aanesland นักวิจัยสองคนจากห้องปฏิบัติการพลาสมาฟิสิกส์ (LPP) ของÉcole Polytechnique และผู้เขียนร่วมในบทความล่าสุด ตามที่พวกเขาแสดงให้เห็นแนวคิดที่สร้างขึ้นบนเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้างขับดันไอออนิกส์ gridded - ion แต่จัดการเพื่อสร้างไอเสียที่มีจำนวนเทียบเท่าของไอออนบวกและประจุลบ
ตามที่อธิบายไว้ในหลักสูตรการศึกษาของพวกเขา
“ การออกแบบนั้นตั้งอยู่บนหลักการของการเร่งความเร็วพลาสม่าโดยการสกัดอิออนและอิเลคตรอนออกมาโดยบังเอิญโดยการใช้สนามไฟฟ้าแบบสั่นกับเลนส์เร่งความเร็วแบบ gridded ในเครื่องเร่งปฏิกิริยาแบบ gridded-ion ไอออนจะถูกเร่งด้วยการใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเพื่อใช้สนามไฟฟ้ากระแสตรง (dc) ระหว่างกริดสกัด ในงานนี้แรงดันไบอัสแบบไบอัสเองจะเกิดขึ้นเมื่อพลังงานคลื่นความถี่วิทยุ (rf) เชื่อมต่อกับกริดสกัดเนื่องจากความแตกต่างในพื้นที่ของพื้นผิวที่ถูกขับเคลื่อนและมีสายดินเมื่อสัมผัสกับพลาสมา”
ในระยะสั้นทรัสเตอร์จะสร้างไอเสียที่มีประจุเป็นกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการใช้คลื่นวิทยุ สิ่งนี้มีผลเช่นเดียวกันกับการเพิ่มสนามไฟฟ้าลงในแรงขับและไม่จำเป็นต้องใช้ Neutralizer จากการศึกษาของพวกเขาพบว่า Thrust ของเนปจูนยังสามารถสร้างแรงขับซึ่งเปรียบได้กับ Thruster ไอออนทั่วไป
เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้นพวกเขาได้ร่วมมือกับ James Dedrick และ Andrew Gibson จากสถาบัน York Plasma เพื่อศึกษาว่าทรัสเตอร์จะทำงานภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกันอย่างไร ด้วย Dedrick และ Gibson บนเรือพวกเขาเริ่มศึกษาว่าลำแสงพลาสมาอาจมีปฏิกิริยากับอวกาศหรือไม่และจะมีผลกระทบต่อประจุที่สมดุลหรือไม่
สิ่งที่พวกเขาพบคือลำแสงไอเสียของเครื่องยนต์มีบทบาทอย่างมากในการทำให้ลำแสงเป็นกลางซึ่งการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนหลังจากที่ถูกนำไปที่กริดการสกัดทำหน้าที่ชดเชยพื้นที่ที่มีประจุในลำแสงพลาสมา ตามที่ระบุในการศึกษา:
“ [P] hase-optical optical emission spectroscopy ได้ถูกนำมาใช้ร่วมกับการวัดทางไฟฟ้า (ฟังก์ชันการกระจายพลังงานไอออนและอิเล็กตรอน, ไอออนและกระแสอิเล็กตรอน, และศักย์ลำแสง) เพื่อศึกษาการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนที่มีพลังในพลาสมาไหลที่เกิดจาก พลาสม่าพลาสมาที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนในช่วงเวลาของการล่มสลายของฝักที่กริดสกัดจะทำหน้าที่ชดเชยพื้นที่ประจุในลำแสงพลาสมา
พวกเขายังเน้นย้ำว่าจะต้องมีการทดสอบเพิ่มเติมก่อนจึงจะสามารถใช้ทรานสโคปของเนปจูนได้ แต่ผลลัพธ์ก็เป็นสิ่งที่น่ายินดีเพราะมันมีความเป็นไปได้ของ ion thrusters ที่เบาและเล็กลงซึ่งจะช่วยให้ยานอวกาศที่มีขนาดกะทัดรัดและประหยัดพลังงานยิ่งขึ้น สำหรับหน่วยงานอวกาศที่ต้องการสำรวจระบบสุริยจักรวาล (และอื่น ๆ ) ด้วยงบประมาณเทคโนโลยีดังกล่าวจะไม่เกิดประโยชน์อะไรถ้าไม่ต้องการ!
