Tajemnica błękitnego strumienia. Nowe odkrycie w napędzie jonowym

Już od niemal trzech dekad inżynierowie wykorzystują napęd elektryczny w sondach kosmicznych. Choć technologia ta stale jest rozwijana, dzięki czemu jest coraz wydajniejsza i niezawodna, to naukowcy wciąż mają kilka istotnych problemów do rozwiązania, zanim osiągnie ona szczyt swoich możliwości. Wszystko jednak wskazuje, że problemy te właśnie rozwiązało wykorzystanie superkomputera.
Tajemnica błękitnego strumienia. Nowe odkrycie w napędzie jonowym

Co do zasady napęd elektryczny jest wprost rewelacyjną alternatywną dla konwencjonalnego napędu chemicznego. Warto tutaj podkreślić, że pierwsze wersje takiego napędu zastosowano jeszcze pod koniec XX wieku, a w ostatnich latach kolejne generacje napędu elektrycznego odpowiedzialne były za napęd tak spektakularnych misji kosmicznych, jak Dawn czy Psyche. Naukowcy wskazują, że taki sam napęd może napędzać stację kosmiczną Lunar Gateway, która będzie krążyła wokół Księżyca jako punkt przesiadkowy dla astronautów podróżujących z Ziemi na powierzchnię Księżyca i z powrotem.

Jak działa napęd elektryczny w sondach kosmicznych?

Wewnątrz napędu elektrycznego mamy do czynienia z kilkoma niezależnymi procesami. W pierwszym z nich dochodzi do wykorzystania elektryczności do jonizacji ksenonu lub kryptonu, znajdującego się na pokładzie sondy. W efekcie w komorze powstaje chmura dodatnio naładowanych jonów i ujemnie naładowanych elektronów. Powstające wewnątrz pole elektryczne przyspiesza jony i elektrony, kierując je do dyszy wylotowej, którędy uciekają w przestrzeń kosmiczną z prędkością rzędu 60000 km/h. Skoro gazy wylatują z ogromną prędkością w jednym kierunku, sonda kosmiczna zaczyna poruszać się w kierunku przeciwnym zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona.

Czytaj także: Silnik jonowy napędem przyszłości? Do działania potrzebuje czegoś nieoczywistego

Warto tutaj podkreślić, że ciąg wytwarzany przez napęd jonowy jest naprawdę delikatny. Nie zmienia to jednak faktu, że jest on bardzo wydajny, przez co jest w stanie pracować całymi miesiącami czy latami bez przerwy, w efekcie rozpędzając sondy i statki kosmiczne do ogromnych prędkości. Co więcej, silniki jonowe wymagają znacznie mniej paliwa, co zmniejsza masę statku kosmicznego i koszty startu. Energia dla układu napędowego jest zazwyczaj dostarczana przez panele słoneczne, aczkolwiek teoretycznie w przypadku misji realizowanych daleko od Słońca możliwe jest wykorzystanie także radioizotopowych generatorów termoelektrycznych.

Wciąż istnieje kilka problemów do rozwiązania

Napęd elektryczny wielokrotnie już okazał się niezwykle wydajny. Mimo tego naukowcy wskazują na potencjalne problemy wynikające z jego stosowania. Hipnotyczny, błękitny strumień gazów wylotowych nie jest bowiem taki jednorodny, jak by mogło się wydawać. Niektóre elektrony znajdujące się w tym strumieniu czasami zmieniają kierunek lotu i uderzają w odsłonięte komponenty sondy kosmicznej. Długotrwała praca silnika może w ten sposób doprowadzić do uszkodzenia paneli słonecznych, czy anten komunikacyjnych. Zważając na to, że w przestrzeni kosmicznej nie ma stacji serwisowych, stanowi to poważne zagrożenie dla kosztujących setki milionów dolarów misji kosmicznych, które wskutek takiej degeneracji mogą przedwcześnie zamilknąć w przestrzeni kosmicznej.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy Chen Cui z University of Virginia i Joseph Wang z University of Southern California postanowili wykorzystać superkomputer do stworzenia symulacji zachowania gazów wylotowych silnika jonowego. Szczegółowa analiza zachowania i właściwości termodynamicznych elektronów w strumieniu wylotowym pozwoliła ustalić, w jaki sposób można ograniczyć liczbę elektronów uciekających ze strumienia i uderzających w samą sondę kosmiczną.

Czytaj także: To najpotężniejszy silnik jonowy w historii. Przeszedł kluczowy test, a teraz pora na jego wykorzystanie

W toku badań okazało się, że na zachowanie elektronów w strumieniu wylotowym istotny wpływ ma ich prędkość i temperatura. Te elektrony, które znajdują się w samym centrum strumienia, utrzymują temperaturę i poruszają się zgodnie z planem. Te elektrony jednak, które znajdą się bliżej krawędzi strumienia, ulegają chłodzeniu, zwalniają i uciekają z niego na zewnątrz. To właśnie te rozproszone elektrony powodują uszkodzenia komponentów sond kosmicznych.

To niezwykle cenne dane, bowiem teraz naukowcy będą wiedzieli, jak projektować jeszcze wydajniejsze i bezpieczniejsze silniki jonowe. Podstawowym zadaniem inżynierów będzie teraz skupienie elektronów w centrum wiązki. Ta pozornie drobna zmiana może wkrótce znacząco zwiększyć wydajność i żywotność kosmicznych napędów elektrycznych. Być może zatem taki napęd wkrótce będzie wykorzystywany także na sondach zmierzających ku zewnętrznym rejonom Układu Słonecznego.