הנעת פלזמה היא נושא שמעניין מאוד את האסטרונומים וסוכנויות החלל. כטכנולוגיה מתקדמת ביותר שמציעה יעילות דלק ניכרת על פני רקטות כימיות קונבנציונאליות, היא משמשת כיום בכל דבר החל מחלליות ולוויינים ועד למשימות חיפוש. ובמבט לעתיד, פלזמה זורמת נבדקת גם על מושגי הנעה מתקדמים יותר, כמו גם היתוך מוגבל מגנטי.
עם זאת, בעיה שכיחה בהנעת פלזמה היא העובדה שהיא מסתמכת על מה שמכונה "מנטרל". מכשיר זה, המאפשר לחלליות להישאר ניטרלי טעינה, מהווה ניקוז נוסף בכוח. למרבה המזל צוות חוקרים מאוניברסיטת יורק ואקול פוליטכניק בודקים תכנון של מותחן פלזמה שיגרום לחיסול לחלוטין של מנטרל.
מחקר שפירט את ממצאי המחקר שלהם - שכותרתו "דינמיקת התפשטות חולפת של פלזמות זורמות המואצות על ידי שדות חשמליים בתדר רדיו" - שוחרר בתחילת החודש בשנת פיזיקה של פלסמות - כתב עת שפורסם על ידי המכון האמריקני לפיזיקה. בראשותו של ד"ר ג'יימס דנדריק, פיזיקאי ממכון הפלזמה של יורק באוניברסיטת יורק, הם מציגים קונספט לזרם פלזמה המווסת את עצמו.
בעיקרון מערכות הנעת פלזמה מסתמכות על כוח חשמלי ליינון גז דחף והפיכתו לפלזמה (כלומר אלקטרונים טעונים באופן שלילי ויונים טעונים חיוביים). יונים ואלקטרונים אלה מאיצים אז על ידי חרירי מנוע כדי ליצור דחף ולהניע חללית. דוגמאות לכך כוללות את מותחן Gridded-ion ו- Hall-effect, שתיהן טכנולוגיות הנעה מבוססות.
מותחן הגרידן-יון נבדק לראשונה בשנות ה -60 וה -70 כחלק מתוכנית SERT (Space Electric Rocket Test). מאז נעשה בו שימוש על ידי נאס"א שחר המשימה, שבוחנת בימים אלה את סרס בחגורת האסטרואידים הראשית. ובעתיד מתכננים ESA ו- JAXA להשתמש בגרמי הברזל המופעלים על הברזל כדי להניע את משימת BepiColombo שלהם למרקורי.
באופן דומה, דחפי ההשפעה של הול הולכו ונחקרו מאז שנות השישים על ידי תוכניות החלל הסובייטיות הן על ידי נאס"א. הם שימשו לראשונה כחלק מהמשימות הקטנות של ה- ESA למחקר מתקדם בטכנולוגיה 1 (SMART-1). משימה זו, שהושקה בשנת 2003 והתנגשה לפני שלוש שנים על פני הירח, הייתה המשימה הראשונה של ה- ESA שיצאה לירח.
כאמור, חלליות המשתמשות בדחפנים אלה זקוקות לנטרול כדי להבטיח שהן יישארו "ניטרליות מטען". זה הכרחי מכיוון שדוחפי פלזמה קונבנציונליים מייצרים חלקיקים טעונים בצורה חיובית יותר מכפי שהם עושים טעונים שליליים. ככאלה, מנטרלים מזריקים אלקטרונים (הנושאים מטען שלילי) על מנת לשמור על האיזון בין יוני חיובי לשלילי.
כפי שאתה עשוי לחשוד, אלקטרונים אלה נוצרים על ידי מערכות החשמל של החללית, מה שאומר שהמנטרל הוא ניקוז נוסף לעוצמה. תוספת של רכיב זה פירושה גם שמערכת ההנעה עצמה תצטרך להיות גדולה וכבדה יותר. בכדי להתמודד עם זה הציע צוות יורק / אקול פוליטכניק עיצוב עבור מותחן פלזמה שיכול להישאר ניטרלי טעינה בכוחות עצמו.
המונח הזה, הידוע כמנוע נפטון, הוצג לראשונה בשנת 2014 על ידי דמיטרו רפלסקי ואנה אננסלנד, שני חוקרים ממעבדת פיזיקת פלזמה (École Polytechnique) ושותפי מחברים במאמר האחרון. כפי שהפגינו, הקונספט בונה על הטכנולוגיה המשמשת ליצירת דחפי יונים מגורסים, אך מצליח לייצר פליטה המכילה כמויות דומות של יונים טעונים חיובית ושלילית.
כפי שהם מסבירים במהלך המחקר שלהם:
"העיצוב שלה מבוסס על עיקרון האצת הפלזמה, לפיו מיצוי מקרי של יונים ואלקטרונים מושג על ידי יישום שדה חשמלי מתנדנד על אופטיקת ההאצה הגריזה. בגרמי דחף-יון מסורתיים יונים מאיצים באמצעות מקור מתח ייעודי כדי ליישם שדה חשמלי זרם ישר (DC) בין רשתות ההוצאה. בעבודה זו נוצר מתח הטיה עצמית של dc כאשר כוח תדר רדיו (rf) משודך לרשתות החילוץ בגלל ההבדל בשטח המשטחים המונעים והארועים במגע עם הפלזמה. "
בקיצור, המותחן יוצר פליטה שהיא נטרול מטען ביעילות באמצעות יישום גלי רדיו. יש לכך השפעה של הוספת שדה חשמלי לדחף, ומסיר ביעילות את הצורך במנטרל. כפי שמצא המחקר שלהם, מותחן נפטון מסוגל גם לייצר דחף הדומה למותחן יונים קונבנציונאלי.
כדי לקדם את הטכנולוגיה עוד יותר הם חברו יחד עם ג'יימס דריק ואנדרו גיבסון ממכון הפלזמה של יורק כדי ללמוד כיצד יעבוד הדחף בתנאים שונים. עם דרדר וגיבסון על הסיפון, הם התחילו לחקור כיצד קרן הפלזמה עשויה לתקשר עם החלל והאם זה ישפיע על המטען המאוזן שלו.
מה שהם מצאו הוא שקרן הפליטה של המנוע מילאה תפקיד גדול בשמירה על הקורה ניטרלית, כאשר התפשטות האלקטרונים לאחר שהוכנסו ברשתות החילוץ פועלת לפצות על מטען החלל בקורה הפלזמה. כפי שהם קובעים במחקרם:
"[P] ספקטרוסקופיה של פליטת פליטה מהירה נפתחה במהירות בשילוב עם מדידות חשמליות (פונקציות של חלוקת אנרגיית יונים ואלקטרונים, זרמי יונים ואלקטרונים ופוטנציאל קרן) כדי לחקור את ההתפשטות החולפת של אלקטרונים אנרגטיים בפלזמה זורמת הנוצרת על ידי rf הטיה עצמית מונע רץ פלזמה. מהתוצאות עולה כי התפשטות האלקטרונים במהלך מרווח התמוטטות הנדן ברשתות החילוץ פועלת לפיצוי מטען החלל בקורה הפלזמה. "
מטבע הדברים הם גם מדגישים כי יהיה צורך בבדיקה נוספת לפני שניתן יהיה להשתמש אי פעם במותחן נפטון. אך התוצאות מעודדות, מכיוון שהן מציעות אפשרות של דחפני יונים קלים וקטנים יותר, מה שיאפשר חלליות שהן קומפקטיות ויעילות אנרגיה אפילו יותר. עבור סוכנויות חלל המעוניינות לחקור את מערכת השמש (ומחוצה לה) בתקציב, טכנולוגיה כזו אינה דבר שאינו רצוי!
