Propulsi plasma adalah subjek yang sangat menarik bagi para astronom dan agensi antariksa. Sebagai teknologi yang sangat canggih yang menawarkan efisiensi bahan bakar yang cukup besar dibandingkan roket kimia konvensional, saat ini sedang digunakan dalam segala hal, mulai dari pesawat ruang angkasa dan satelit hingga misi eksplorasi. Dan melihat ke masa depan, plasma yang mengalir juga sedang diselidiki untuk konsep propulsi yang lebih maju, serta fusi magnetik terbatas.
Namun, masalah umum dengan propulsi plasma adalah kenyataan bahwa ia bergantung pada apa yang dikenal sebagai "penetral". Instrumen ini, yang memungkinkan pesawat ruang angkasa tetap netral muatan, merupakan tambahan daya. Untungnya, tim peneliti dari University of York dan École Polytechnique sedang menyelidiki desain plasma thruster yang akan menghapus penetralisir sama sekali.
Sebuah studi yang merinci temuan penelitian mereka - berjudul "Dinamika propagasi transien dari plasma yang mengalir yang dipercepat oleh medan listrik frekuensi radio" - dirilis awal bulan ini di Fisika plasma - sebuah jurnal yang diterbitkan oleh American Institute of Physics. Dipimpin oleh Dr. James Dendrick, seorang ahli fisika dari York Plasma Institute di University of York, mereka menyajikan konsep untuk thruster plasma yang mengatur sendiri.
Pada dasarnya, sistem propulsi plasma mengandalkan daya listrik untuk mengionisasi gas propelan dan mengubahnya menjadi plasma (mis. Elektron bermuatan negatif dan ion bermuatan positif). Ion dan elektron ini kemudian dipercepat oleh nosel mesin untuk menghasilkan daya dorong dan mendorong pesawat ruang angkasa. Contohnya termasuk thruster Gridded-ion dan Hall-effect, yang keduanya merupakan teknologi propulsi yang telah mapan.
Thruster Gridden-ion pertama kali diuji pada 1960-an dan 70-an sebagai bagian dari program Space Electric Rocket Test (SERT). Sejak itu, telah digunakan oleh NASA Fajar misi, yang saat ini menjelajahi Ceres di Sabuk Asteroid Utama. Dan di masa depan, ESA dan JAXA berencana untuk menggunakan pendorong besi Gridded untuk mendorong misi BepiColombo mereka ke Merkurius.
Demikian pula, pendorong efek Hall telah diselidiki sejak 1960-an oleh NASA dan program luar angkasa Soviet. Mereka pertama kali digunakan sebagai bagian dari Misi Kecil ESA untuk Penelitian Lanjutan dalam misi Technology-1 (SMART-1). Misi ini, yang diluncurkan pada tahun 2003 dan menabrak permukaan bulan tiga tahun kemudian, adalah misi ESA pertama yang pergi ke Bulan.
Sebagaimana dicatat, pesawat ruang angkasa yang menggunakan pendorong ini semua membutuhkan penetral untuk memastikan bahwa mereka tetap "netral biaya". Ini diperlukan karena pendorong plasma konvensional menghasilkan lebih banyak partikel bermuatan positif daripada partikel pendorong bermuatan negatif. Dengan demikian, penetralisasi menyuntikkan elektron (yang membawa muatan negatif) untuk menjaga keseimbangan antara ion positif dan negatif.
Seperti yang Anda duga, elektron-elektron ini dihasilkan oleh sistem tenaga listrik pesawat ruang angkasa, yang berarti bahwa penetral adalah penguras daya tambahan. Penambahan komponen ini juga berarti bahwa sistem propulsi itu sendiri harus lebih besar dan lebih berat. Untuk mengatasi ini, tim York / École Polytechnique mengusulkan desain untuk pendorong plasma yang dapat tetap netral dengan sendirinya.
Dikenal sebagai mesin Neptunus, konsep ini pertama kali diperagakan pada tahun 2014 oleh Dmytro Rafalskyi dan Ane Aanesland, dua peneliti dari Laboratorium Fisika Plasma Fisika (LPP) École Polytechnique dan rekan penulis pada makalah baru-baru ini. Seperti yang mereka tunjukkan, konsep tersebut dibangun di atas teknologi yang digunakan untuk membuat pendorong ion-grid, tetapi berhasil menghasilkan gas buang yang mengandung jumlah ion bermuatan positif dan negatif yang sebanding.
Ketika mereka menjelaskan dalam perjalanan studi mereka:
“Rancangannya didasarkan pada prinsip akselerasi plasma, di mana ekstraksi ion dan elektron secara bersamaan dicapai dengan menerapkan medan listrik berosilasi ke optik akselerasi yang dikunci. Dalam pendorong ion grid-tradisional, ion dipercepat menggunakan sumber tegangan yang ditunjuk untuk menerapkan medan listrik arus searah (dc) antara jaringan ekstraksi. Dalam pekerjaan ini, tegangan bias-sendiri dc terbentuk ketika daya frekuensi radio (rf) digabungkan ke jaringan ekstraksi karena perbedaan area permukaan yang dialiri daya dan yang di-ground dalam kontak dengan plasma. ”
Singkatnya, thruster menciptakan knalpot yang secara efektif mengisi daya netral melalui aplikasi gelombang radio. Ini memiliki efek yang sama dengan menambahkan medan listrik ke dorong, dan secara efektif menghilangkan kebutuhan akan penetral. Seperti yang ditemukan dalam penelitian mereka, Neptunus thruster juga mampu menghasilkan gaya dorong yang sebanding dengan ion thruster konvensional.
Untuk memajukan teknologi lebih jauh, mereka bekerja sama dengan James Dedrick dan Andrew Gibson dari York Plasma Institute untuk mempelajari bagaimana pendorong akan bekerja dalam kondisi yang berbeda. Dengan Dedrick dan Gibson di papan, mereka mulai mempelajari bagaimana sinar plasma dapat berinteraksi dengan ruang dan apakah ini akan mempengaruhi muatan seimbangnya.
Apa yang mereka temukan adalah bahwa balok gas buang mesin memainkan peran besar dalam menjaga agar balok tetap netral, di mana propagasi elektron setelah mereka diperkenalkan di jaringan ekstraksi berfungsi untuk mengimbangi biaya ruang-dalam balok plasma. Seperti yang mereka nyatakan dalam studi mereka:
“[P] spektroskopi emisi optik yang telah diselesaikan telah diterapkan dalam kombinasi dengan pengukuran listrik (fungsi distribusi energi ion dan elektron, arus ion dan elektron, dan potensi pancaran) untuk mempelajari propagasi transien elektron berenergi dalam plasma yang mengalir yang dihasilkan oleh suatu jika pendorong plasma didorong oleh bias diri. Hasilnya menunjukkan bahwa perbanyakan elektron selama interval runtuhnya selubung di jaringan ekstraksi bertindak untuk mengkompensasi ruang-muatan dalam berkas plasma. ”
Secara alami, mereka juga menekankan bahwa pengujian lebih lanjut akan diperlukan sebelum pendorong Neptunus dapat digunakan. Tetapi hasilnya menggembirakan, karena mereka menawarkan kemungkinan pendorong ion yang lebih ringan dan lebih kecil, yang akan memungkinkan untuk pesawat ruang angkasa yang bahkan lebih kompak dan hemat energi. Untuk badan antariksa yang ingin menjelajahi Tata Surya (dan seterusnya) dengan anggaran, teknologi seperti itu tidak ada artinya jika tidak diinginkan!
