Dupa introducerea de saptamana trecuta, continuam astazi cu propulsoare electrotermice.
Propulsoare electrotermice
Ele folosesc diverse metode pentru a încălzi un fluid, care apoi este evacuat printr-un ajutaj. Practic, ele sunt tot propulsoare termice, doar că sunt alimentate cu energie electrică externă. Din acest motiv, au multe dintre limitele motoarelor termice (în special temperatura de topire). Similar cu un motor NTR, ele tind să nu le pese ce fel de fluid folosești, atât timp cât acel fluid nu atacă chimic diferitele componente interne la temperaturi înalte. Propulsoarele din acest grup tind să fie clasificate în funcție de metoda prin care se realizează încălzirea masei de reacție:
- Resistojet / propulsor rezistiv: folosește un filament fierbinte pentru a încălzi fluidul. Conceptual, un design extrem de simplu și robust, dar fiindcă nu poate încălzi fluidul dincolo de temperatura maximă a filamentului, are impulsul specific limitat (similar cu un NTR – de ordinul a câteva sute de secunde; conform ESA, între 150 și 700 secunde ). Filamentul trebuie să fie rezistent la temperaturi înalte și la reacții chimice cu fluidul folosit. Au zburat prima dată în 1965, la bordul faimoșilor sateliți Vela (folosiți pentru monitorizarea testelor nucleare și studii pe radiație cosmică). Deși pot folosi teoretic orice fluid, majoritatea utilizează tot monohidrazină obișnuită, rezultând un propulsor hibrid unde parte din energie e dată de filament, și parte obținută din descompunerea hidrazinei. Astăzi, sunt o tehnologie relativ matură, diverse companii oferind design-uri off the shelf, cum sunt AltaSpace și Primex. Des întâlnite pe sateliți mici, care, fiind sarcini secundare pe rachete, trebuie să nu aibă substanțe reactive la bord, și deci nu pot folosit motoare chimice.
- Induction thermal thruster / propulsor termic cu inducție: folosește inducția electrica pentru a încălzi fluidul. Mai pe românește, generează un câmp magnetic care își schimba orientarea rapid (intre 100 și 500 kHz, adică de 100.000 /500.000 de ori pe secundă) și această schimbare agită moleculele polarizate. Aceste molecule (un exemplu e molecula de apă) tind să aibă un pol sud și unul nord, și se orientează după câmpul magnetic ambiental. Dacă câmpul își schimba direcția , ele se rotesc împreuna cu acesta, generând căldură. Foarte multe dintre conceptele hibride pe care le vom discuta în viitor folosesc acest tip de sistem pentru excitarea plasmei. Comparativ cu resistojet-urile, ele tind să fie sisteme mari (datorită bobinelor magnetice) cu forțe propulsive semnificative. Altminteri, nu sunt un domeniu intens dezvoltat, datorită consumului mare de energie.
- RF Electrothermal Thruster / Propulsor electrotermic cu radiofrecvență: similar cu cel cu inducție. Diferența e că câmpul magnetic e static, iar oscilația moleculelor e provocată de un val de unde radio. Pentru că undele radio tind să fie destul de penetrante, se poate obține o încălzire foarte uniformă a fluidului. La fel ca și cele cu inducție, genul acesta de propulsor nu e intens dezvoltat, fiindcă nu se pretează la sateliții relativ mici folosiți în ziua de azi. Pot fi operate continuu sau în pulsuri. Frecventa undelor radio e între 5 și 50 de MHz.
- Microwave Thermal Thruster / Propulsor electrotermic cu microunde: derivat din propulsorul RF, diferența fiind frecvența mai mare a undelor radio. La frecvențe de ordinul acesta, energia primită de moleculele masei de reacție e atât de mare încât se pot transforma în plasmă. Aici intram într-o zona gri, pentru că această plasmă o poți evacua printr-o duză fizică, bazându-te pe simpla ei expansiune termică, dar o poți accelera și evacua printr-un sistem magnetic, caz în care propulsorul tău nu mai este unul electrotermic ci electromagnetic. În principiu, dacă accelerarea masei de reacție folosește un câmp magnetic, propulsorul este electromagnetic, iar dacă accelerarea masei de reacție e datorată dilatării termice, propulsorul e electrotermic. În cazul de față ne vom referi strict la cele electrotermice. Prescurtate și MET-uri, ele prezintă interes pentru că sunt relativ compacte și pot folosi apă ca și masa de reacție. Posibil utile pentru misiuni de minerit al asteroizilor sau cu realimentare in-situ. De altfel, ele pot folosi nu doar apă, ci orice moleculă de fluid, cum ar fi dioxid de carbon, amoniac, azot, hidrogen, gaze nobile (Kr, Ar, Xe, etc). Ba chiar unele modele experimentale folosesc politetrafluoroetilenă, un material plastic foarte stabil, pe care majoritatea îl cunoaștem sub numele de Teflon. Extrem de flexibile.
Reprezentare schematică a unui resistojet – Sursă: https://www.semanticscholar.org/paper/Design-and-development-of-a-low-power-laboratory-Mankavi-Rezaeiha/2c71fjhz1mu526H7mf8WDCTd1PxnvLRZdkp9076
Propulsorul BE-3A AKM, folosit la bordul sateliților Vela – Sursă: http://www.astronautix.com/m/mr-502.html
Molecula de apă, cu polii reprezentați prin culori diferite – Sursă: https://chemistrytalk.org/water-polarity-why-polar/
Schema funcțională a unui propulsor MET, din studiul-reper al NASA – https://ntrs.nasa.gov/citations/19890017533
Propulsorul Ardor al companiei Momentus, în laborator, respectiv în spațiu (imagine artistica) – Propulsorul folosește microunde în bandă S, la 2.45 GHz. Alte companii care oferă sau dezvoltă astfel de sisteme sunt Tethers Unlimited, printr-un contract cu NASA pentru propulsorul lor HYDROS, și Bradford Space, cu propulsorul Comet. De asemenea, există o suită de astfel de propulsoare experimentale dezvoltate de ESA în colaborare cu diferite echipe din Europa.
Mai mult, MET-urile se pretează la a fi dispuse în mănunchiuri de dimensiuni arbitrar de mari, spre deosebire de cele cu inducție sau electromagnetice, care tind să interfereze unele cu altele. Ele sunt de asemenea ușor scalabile la orice dimensiune, de la unele care încap în palmă, până la propulsoare de ordinul a sute de kW. Singurul aspect ce necesită atenție e o bună etanșeizare radio a motorului, pentru a preveni scăpări parazite care ar putea cauza interferențe.
Cine privește literatura de specialitate în privința MET-urilor va observa că nu toate folosesc duze fizice, cele magnetice fiind des întâlnite. Asta e fiindcă plasma produsă în interior e prea fierbinte și reactivă pentru a permite pereților unei duze fizice să supraviețuiască. Așadar, în lista noastră de propulsoare din ce în ce mai sofisticate, MET-urile sunt primele unde există un divorț dintre temperatura maximă suportabilă a componentelor și viteza de evacuare. Un câmp magnetic nu se poate topi.
Cu viteze de evacuare teoretice de ordinul a 9.8 km/sec, corespunzând unui impuls specific de 1000 de secunde, propulsoarele MET ating performanțe similare cu cele mai avansate modele NTR, și sunt relativ ieftine de construit și compacte
- Arcjet / propulsor cu arc electric: fix ce scrie pe cutie, un tip de propulsor care folosește un arc electric pentru a încălzi masa de reacție. Principul este identic cu un aparat de sudură cu arc electric: o descărcare electrică puternică este menținută între doi electrozi, iar masa de reacție trece prin această descărcare și este încălzită sau ionizată. Ca și la unele MET-uri, putem considera că temperatura masei de reacție nu depinde de temperatura maximă a materialelor folosite, și deci se pot obține viteze de evacuare mai mari. În majoritatea design-urilor moderne, anodul (electrodul încărcat pozitiv) este gatul ajutajului, iar catodul este o structură internă. Din păcate, arcjet-urile suferă o intensă degradare a electrozilor din cauza descărcării foarte intense. Încet, încet, ele tind să se evapore, iar materialul evaporat este purtat de masa de reacție și evacuat. Din acest motiv, arcjet-urile au o durată de viață limitată (aspect des întâlnit la propulsoarele mai puternice care urmează a fi discutate).
Schema funcțională a unui arcjet – Sursă: https://llis.nasa.gov/lesson/736
Interesul pentru astfel de propulsoare a început în anii 50, și astăzi exista o sumedenie de design-uri oferite de diverse companii. La fel ca și la MET-uri și resistojet-uri, ele sunt populare datorita stabilității lor chimice la bordul sateliților mici secundari. Comparativ cu un resistojet, ele ating viteze de evacuare mult mai mari, iar comparativ cu un MET, sunt mai simple (e mai simplu să generezi un arc electric comparativ cu un câmp intens de microunde).
La fel ca și MET-uri, ele pot folosit orice tip de masă de reacție care e fluidă la temperaturile de operare. Vom descoperi, spre exemplu, de la arcjet-uri cu viteze de evacuare de 3500-5000 m/sec (Isp de 350-500 sec) cu hidrazină, până la 9000 m/sec pentru amoniac și 19000 m/sec pentru hidrogen. Din acest motiv, se regăsesc și în diverse design-uri pentru misiuni de minerit spațial. Mai mult, arcul electric poate vaporiza însăși roca asteroizilor, permițând extragerea și procesarea plasmei și separarea elementelor chimice astfel obținute.
Propulsorul MR-509 cu hidrazină oferit de Aerojet Rocketdyne pentru sateliți. – Sursă: https://llis.nasa.gov/lesson/736 și http://electricrocket.org/IEPC/7081.pdf
Ele fac parte din familia de propulsoare MR, cu puteri intre 1 și 3 kWe (vezi imaginea urmatoare).
Propulsoare MR509
Arcjet-ul de 1 kWe oferit de compania SITAEL, operând cu diferite tipuri de masă de reacție. Plasma obținută e colorată diferit în funcție de lungimea de undă a luminii emise de atomii excitați – Sursă: https://indico.esa.int/event/181/contributions/1374/attachments/1324/1549/2017_CSID_Gregucci_SITAEL_Arcjet1k.pdf
Arcjet experimental de 10 kWe în dezvoltare la Universitatea din Miyazaki – Sursă: https://www.cc.miyazaki-u.ac.jp/kakami/index_e.html
Până data viitoare, vă salut!
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. https://etda.libraries.psu.edu/files/final_submissions/1358
2. https://ntrs.nasa.gov/citations/19890017533
3. https://chemistrytalk.org/water-polarity-why-polar/
4. http://www.astronautix.com/m/mr-502.html
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-and-development-of-a-low-power-laboratory-Mankavi-Rezaeiha/2c71fjhz1mu526H7mf8WDCTd1PxnvLRZdkp9076
6. https://etda.libraries.psu.edu/catalog/8309
7. https://www.eucass-proceedings.eu/articles/eucass/abs/2009/01/eucass1p425/eucass1p425.html
8. http://bustlab.boun.edu.tr/assets/B32%20-%202015%20JPC%20Serhan%20JPCv12_m09_SUBMITTED.pdf
9. https://golden.com/wiki/Momentus_Space-W4BNJRW
10. https://www.thespaceresource.com/news/2019/2/propelling-demand-for-space-water
11. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19950005171.pdf
12. http://alfven.princeton.edu/research/past/met
13. https://authors.library.caltech.edu/3304/1/PARaipcp04b.pdf
14. https://patents.google.com/patent/US5956938
15. https://sciencedocbox.com/Physics/70705799-Beamed-energy-propulsion.html
16. http://electricrocket.org/IEPC/7081.pdf
17. https://llis.nasa.gov/lesson/736
18. https://indico.esa.int/event/181/contributions/1374/attachments/1324/1549/2017_CSID_Gregucci_SITAEL_Arcjet1k.pdf
19. https://www.cc.miyazaki-u.ac.jp/kakami/index_e.html
20. https://www.spaceflightinsider.com/conferences/vasimr-plasma-engine-earth-mars-39-days/
21. https://www.daviddarling.info/encyclopedia/P/pulsedplasmathruster.html
22. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009457651000086X
23. https://appliedionsystems.com/portfolio/ais-uppt1-micro-pulsed-plasma-thruster/
24. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19910017903/downloads/19910017903.pdf
25. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576514004494
26. https://www.mdpi.com/2226-4310/8/1/22/htm
27. https://www.researchgate.net/figure/Self-field-MPD-with-coaxial-electrodes-of-the-same-length_fig2_265068302
28. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1686/1/012023/pdf
29. https://www.nature.com/articles/s41598-021-00308-4
30. http://www-personal.umich.edu/~ianrit/PIT/PIT2.pdf
31. https://www.researchgate.net/figure/A-two-grid-Gridded-Ion-Thruster-GIT-as-a-simplified-schematic-diagram_fig5_348599889
32. https://www.esa.int/gsp/ACT/doc/PRO/ACT-RPR-PRO-IAC2006-DS4G-C4.4.7.pdf
33. https://psyche.asu.edu/2018/01/19/electric-thrusters-psyche-spacecraft-work/
34. https://www.nasa.gov/feature/jpl/solar-electric-propulsion-makes-nasa-s-psyche-spacecraft-go
35. https://beyondnerva.com/electric-propulsion/hall-effect-thrusters/
36. https://whatnext.pl/aeps-czyli-zaawansowany-elektryczny-uklad-napedowy-osiagnal-kamien-milowy-w-swoich-testach/
37. https://pepl.engin.umich.edu/project/x3-nested-channel-hall-thruster/
38. https://www.sitael.com/sitael-space-has-successfully-tested-ram-ep-system/
39. https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster
40. http://electricrocket.org/IEPC/IEPC_2017_377.pdf
41. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576520304264
42. https://www.centauri-dreams.org/2021/11/19/wind-rider-a-high-performance-magsail/
43. https://www.centauri-dreams.org/2019/11/18/the-electric-sail-and-its-uses/
44. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrodynamic_tether
45. https://thedebrief.org/this-new-deep-space-propulsion-system-rides-like-a-leaf-on-the-solar-wind/
46. https://ghostarchive.org/archive/DxPRf
47. https://ghostarchive.org/archive/UCXqo
48. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1538-3873/ac4812