כשאנחנו חושבים על מסע בחלל, אנו נוטים לתאר רקטה מסיבית המתפוצצת מכדור הארץ, כשזרמי אש ועשן ענקיים יוצאים מתחת לקרקע, מכיוון שהמכונה העצומה נאבקת בכדי לחמוק מכוח המשיכה של כדור הארץ. אבל ברגע שחללית שברה את הקשר הכבידה שלה עם כדור הארץ, יש לנו אפשרויות אחרות להניע אותם. הנעה של יון, שחלמה עליה ארוכה במדע בדיוני, משמשת כיום לשליחת בדיקות וחלליות במסעות ארוכים בחלל.
נאס"א החלה לראשונה לחקור הנעת יונים בשנות החמישים. בשנת 1998 שימש בהנעת יונים בהצלחה את מערכת ההנעה העיקרית בחללית, מה שמניע את החלל העמוק 1 (DS1) למשימתו לאסטרואיד 9969 ברייל ובשביט בורלי. DS1 תוכנן לא רק לבקר באסטרואיד ובשביט, אלא לבחון שתים עשרה טכנולוגיות מתקדמות בעלות סיכון גבוה, ובראשן מערכת הנעת היונים עצמה.
מערכות הנעה של יונים מייצרות כמות זעירה של דחף. החזיקו תשעה רבעים בידכם, הרגישו שכוח הכבידה מושך אותם, ויש לכם מושג כמה דחף הם מייצרים. לא ניתן להשתמש בהם לצורך שיגור חלליות מגופים בעלי כוח משיכה חזק. כוחם טמון בכך שהם ממשיכים ליצור דחף לאורך זמן. משמעות הדבר היא שהם יכולים להשיג מהירויות גבוהות מאוד. דחפי יונים יכולים להניע חללית למהירויות העולות על 320,000 קמ"ש (200,000 קמ"ש), אך הם חייבים לפעול זמן רב כדי להשיג את המהירות הזו.
יון הוא אטום או מולקולה שאיבדה או רכשה אלקטרון, ולכן יש לה מטען חשמלי. אז יינון הוא תהליך מתן מטען לאטום או למולקולה, על ידי הוספה או הסרה של אלקטרונים. לאחר טעינה, יון ירצה לנוע ביחס לשדה מגנטי. זה בלב כונני היונים. אבל אטומים מסוימים מתאימים יותר לכך. כונני היונים של נאס"א משתמשים בדרך כלל קסנון, גז אינרטי, מכיוון שאין סכנת פיצוץ.
בכונן יונים קסנון אינו דלק. זה לא בעירה, ואין לו תכונות מובנות שהופכות אותו לשימוש כדלק. מקור האנרגיה של כונן יונים צריך להגיע ממקום אחר. מקור זה יכול להיות חשמל מתאי שמש, או חשמל הנוצר מחום ריקבון מחומר גרעיני.
יונים נוצרים על ידי הפצצת גז קסנון באמצעות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. לאחר טעינה, יונים אלה נמשכים דרך זוג רשתות אלקטרוסטטיות - המכונות עדשות - על ידי המטענים שלהם, והם גורשים מהחדר ויוצרים דחף. לפריקה זו קוראים קרן היונים והיא מוזרקת שוב אלקטרונים כדי לנטרל את המטען שלה. הנה סרטון קצר שמראה כיצד כונני יונים עובדים:
שלא כמו רקטה כימית מסורתית, בה דחף שלה מוגבל בכמות הדלק שהוא יכול לשאת ולשרוף, הדחף שנוצר על ידי כונן יונים מוגבל רק על ידי חוזק המקור החשמלי שלו. כמות הדחיפה שמלאכה יכולה לשאת, במקרה זה קסנון, היא דאגה משנית. חללית השחר של נאס"א השתמשה רק ב -10 אונקיות של דחף קסנון - כלומר פחות מסודה יכולה - למשך 27 שעות של פעילות.
בתיאוריה, אין גבול לחוזק המקור החשמלי המניע את הכונן, ונעשית עבודה לפיתוח דחפי יונים חזקים עוד יותר ממה שיש לנו כיום. בשנת 2012 פעל Thruster Xenon Evolutionary (NEXT) של נאס"א על 7000 וולט במשך למעלה מ 43,000 שעות, בהשוואה לכונן היונים ב- DS1 שהשתמש ב 2100 וואט בלבד. NEXT, ועיצובים שיעברו אותה בעתיד, יאפשרו לחלליות לצאת למשימות מורחבות לכמה אסטרואידים, שביטים, כוכבי הלכת החיצוניים וירחיהם.
המשימות המשתמשות בהנעת יונים כוללות את משימת השחר של נאס"א, משימת הייבוסה היפנית לאסטרואיד 25143 איטוקאווה, ומשימות ה- ESA המתקרבות Bepicolombo, שתצא לכיוון מרקורי בשנת 2017, ו- LISA Pathfinder, אשר ילמדו גלי כבידה בתדר נמוך.
עם השיפור המתמיד במערכות הנעה של יונים, רשימה זו רק תגדל.
