Stele verzi – Propulsii electrice (VI)

In continuarea propulsoarelor electrotermice, a VASIMIR si a propulsoarelor electromagnetice, astazi ne vom opri la propulsoarele elctrostatice.
 

Propulsoare electrostatice

Propulsoarele electrostatice sunt o clasă de propulsoare care folosesc atracția electrostatică pentru a evacua ioni (atomi încărcați pozitiv sau negativ) și a genera forță propulsivă. Ele constituie cea mai de succes clasă de propulsoare electrice in clipa de față, fiind folosite atât pentru misiuni de explorare cât și sisteme comerciale. Acest succes se datorează faptului că propulsoarele electrostatice sunt ușor de scalat la dimensiuni mici.

Pentru că propulsoarele de acest fel evacuează particule încărcate pozitiv, se produc niște efecte interesante. În primul rând, pentru că norul de gaze evacuat e încărcat pozitiv, nava se încarcă negativ. Și astfel, nava va tinde să ”tragă” norul după ea, reducând-i eficiența. Mai mult, pentru că există o diferență de sarcină între nor și navă, pot apărea descărcări electrice între nor și navă. Nu vă gândiți la scântei, cât mai degrabă la fulgere. Și sunt extrem de periculoase pentru nave. Pentru a rezolva aceste neajunsuri, nava necesita sisteme sofisticate de neutralizare a jetului de evacuare (de regulă, un emițător de electroni, care sa neutralizeze ionii încărcați pozitiv), și, la începuturi, lipsa acestor sisteme era principalul impediment în calea dezvoltării unor astfel de propulsoare.

Eroziunea diferitelor componente interne a fost mult timp un alt mare dezavantaj al acestor sisteme. Exact cum se petrecea această eroziune depinde de sistemul în cauză. Așadar, hai sa vedem ce arhitecturi există:

• Gridded Ion Thruster / propulsor ionic cu grilă: un tip de propulsor care folosește atracția dintre o masă de ioni încărcați pozitiv și un electrod încărcat negativ pentru a accelera acești ioni. Acest electrod este o plasă, iar viteza finală a ionilor când ajung în dreptul plasei este foarte ridicată. Pentru că aceștia ar avea tendința să treacă de plasa și să se întoarcă la ea, ionii sunt neutralizați imediat ce trec de aceasta plasă. O plasa secundară, încărcata pozitiv este dispusă în fața primei plase pentru a ajuta la colimarea fasciculului de particule.

Schema funcțională a unui propulsor ionic cu grile Sursă: https://www.researchgate.net/figure/A-two-grid-Gridded-Ion-Thruster-GIT-as-a-simplified-schematic-diagram_fig5_348599889

De ce se foloseau asemenea substanțe dubioase pentru masa de reacție? Pentru că masa de reacție ar avea nevoie de niște caracteristici mai… speciale:
• Energie de ionizare scăzută (câți Jouli trebuie să bagi într-o cantitate din această substanță pentru a rupe electronii din atom)
• Punct de topire/evaporare scăzut, ca să nu ai probleme cu stocarea la bord sau să fii nevoit să folosești energie în plus pentru a-i schimba starea de agregare
• Densitate ridicată, ca să minimizezi mărimea recipientului de stocare folosit
• Masă atomica ridicată, ca să poți compensa măcar un pic forța propulsiva redusă.

După cum putem vedea din următorul tabel (sursă: https://beyondnerva.com/electric-propulsion/gridded-ion-thrusters/electrostatic-propellants/), metalele ușoare au energii de ionizare scăzute. Sunt, așadar, mai eficiente. În plus, tind să aibă mase atomice mai ridicate și sunt ușor stocabile. Așadar, nu au fost folosite degeaba. Însă, odată ce dezavantajele lor (conductivitatea electrică mare, ce favoriza descărcările intre plase; reactivitatea chimică mare ce eroda materialele interne, plus toxicitatea) au devenit clare, au fost înlocuite cu gazele nobile.

Dintre acestea, xenonul este cel preferat actualmente pe misiuni de cercetare, mulțumită caracteristicilor sale acceptabile. Kryptonul i-a luat locul pe misiuni comerciale însă, datorita costurilor mult reduse (a se vedea constelația Starlink, al cărei sateliți folosesc propulsoare cu efect Hall cu krypton). Argonul, cu energia sa de ionizare măricică și masă atomică redusă, nu e foarte des întâlnit, însă, pe viitor, când ai nave care necesită 20-40 de tone de masa de reacție, s-ar putea sa devina interesat, datorita abundenței și costului redus (constituie aproape 1% din atmosfera Pământului, și e comun și în spațiu).

Propulsoarele ionice cu grile au luat avânt în anii 90, odată cu folosirea lor la bordul unor misiuni științifice de profil înalt. Astfel, propulsorul NSTAR (NASA Solar Technology Application Readiness) a zburat pentru prima dată la bordul sondei Deep Space 1, care a vizitat cometa Borrelly și asteroidul 9969 Braille. Cu o viteză de evacuare cuprinsă intre 20 și 30 km/sec, corespunzătoare unui impuls specific de 2000-3000 sec, aceasta a consumat 81 de kg de xenon și atins viteza de 3.58 km/sec (delta-V de 3.58 km/sec), la o putere a propulsorului de 2 kWe (furnizată de panouri solare).

Deep Space 1 in teste și pe stand, cu propulsorul proeminent

O altă misiune celebră mai nouă care folosește același propulsor este sonda Dawn, lansată in 2007, cu misiunea de a studia protoplanetele Ceres și Vesta. Pentru că sonda trebuia să aibă delta-V suficient cât să se înscrie pe orbitele celor doua planete în mod succesiv, propulsia electrica era singura opțiune cu viteza de evacuare suficient de mare. Și ce delta-V! Pe parcursul celor 9 ani, sonda a consumat 425 kg de xenon, generând o diferență de viteză de 11.49 km/sec!

Sonda Dawn și propulsorul NSTAR în teste. De-a lungul misiunii, propulsoarele NSTAR (erau 3 la bord pentru redundanță), a funcționat vreme de 51.000 de ore, permițând sondei să facă 3000 de orbite în jurul lui Ceres și Vesta și să parcurgă 4.3 miliarde de km de la lansare.

O variantă mai nouă a propulsorului, denumita NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) a fost folosit și la bordul misiunii DART, care în 2022 a fost prima misiune de studiere a redirecționării asteroizilor. Propulsorul de 6.9 kWe este de trei ori mai puternic decât NSTAR, cu o viteză de evacuare de 40 km/sec, eficiență de 68% și forță propulsiva de 237 mN. A fost testat la funcționare continuă într-o încăpere vidată, demonstrând o durată operațională de 48000 ore cu eroziune minimă.

Propulsorul NEXT in teste

Alte misiuni care au folosit propulsoare similare au fost Hayabusa 1 și 2 (misiuni japoneze care au întors mostre de pe asteroizi Itokawa și Ryugu) precum și BepiColombo (sondă de explorare europeană a planetei Mercur).

Dacă este să vorbim despre propulsoare teoretice, trebuie să aducem în discuție programul Prometheus al NASA. Acest program de cercetare și dezvoltare început în anii 90 viza crearea unei clase de reactoare nucleare spațiale în vederea utilizării lor în diverse misiuni. Și cum orice astfel de cheltuială trebuie justificată (chiar și retroactiv), o primă misiune care ar fi trebuit să folosească aceste sisteme noi a fost propusă: Jupiter Icy Moons Orbiter, abreviat JIMO.

JIMO ar fi fost o sondă spațială de dimensiuni MARI (lungă de 58.4 metri, lată de 15.7 metri) care ar fi trebuit lansată în 2017 estimativ. Cu o greutate de 36 de tone, era la limita a ceea ce puteau vehiculele de lansare de la acel moment să transporte. Misiunea, care ar fi durat 20 de ani, ar fi presupus o cercetare atentă a sateliților jovieni mari (Europa, Io, Ganimede și Callisto), la altitudini reduse, folosind spectometrie laser, radare speciale care să penetreze straturile exterioare de gheată și rocă, precum și un vehicul de aterizare pentru Europa. Asta însemna că sonda nu trebuia doar să ajungă pe orbita lui Jupiter, ci să se înscrie secvențial pe orbita fiecărui satelit, să își facă misiunea, apoi să reușească să genereze suficientă viteză pentru a scăpa și a ajunge pe orbita următorului. De 4 ori. Motiv pentru care sonda ar fi dispus de o serie de propulsoare electrostatice cu grilă, alimentate de la un reactor nuclear de 200 kWe (care ar fi alimentat și instrumentarul de mare putere, precum radarele, odată ce nava se înscrisese pe orbita unuia dintre sateliți).
Două design-uri de propulsor au concurat pentru misiunea JIMO: NEXIS și HiPEP. NEXIS era o dezvoltare a NSTAR-ului descris mai sus, și, după anularea programului, va fi continuat sub numele de NEXT. HiPEP (High Power Electric Propulsion), în schimb, era ceva mai special.

Spre deosebire de NSTAR, NEXT și celelalte propulsoare cu ioni, HiPEP folosea rezonanță ciclotronică cu electroni pentru a ioniza masa de reacție. Testat în laborator, HiPEP era alimentat cu 39.7 kWe de energie, consuma 7 mg/sec de masă de reacție și avea o viteză de evacuare de 94.8 km/sec, cu o forță propulsivă de 670 mN. Un salt mare față de ce existase până atunci! De asemenea, spre deosebire de forma circulară a propulsoarelor de la acel moment, HiPEP era dreptunghiular, pentru a fi mai ușor de împachetat.

Două configurații posibile pentru JIMO. Reactor este amplasat departe de restul componentelor pentru a atenua radiația, și este separat de un scut care umbrește restul navei

JIMO cu propulsoarele ionice în tranzit. HiPEP în teste.

Chiar dacă misiunea era promițătoare, JIMO era și prea ambițioasă. Cu un buget de 16 miliarde de dolari (!!!) și timp de dezvoltare de 15 ani, era inevitabil că JIMO nu va fi realizată vreodată. Anulată in 2007, odată cu o schimbare a direcției pentru a prioritiza misiuni cu oameni la bord, JIMO a rămas nefinalizată. Tot atunci a fost anulat și programul Prometheus și HiPEP odată cu el.

Ultimul propulsor electrostatic cu grile care ar merita trecut în revistă este propulsorul Dual Stage 4 Grid. Acest tip inovativ de propulsor se inspiră de la experimentele pe reactoare cu fuziune tip Tokamak, care folosesc o serie de tunuri de ioni pentru a injecta plasma în camera de reacție. Pentru a obține condițiile de temperatura și presiune necesare pentru fuziune, aceste tunuri folosesc o configurație foarte similară unui propulsor electrostatic, doar ca în locul a trei plase, folosește patru, permițând viteze de evacuare mult superioare. Practic, unde un propulsor convențional face extracția și accelerarea simultan, într-un singur pas, DS4G-ul le separă. Fiindcă plasele sunt la distanțe mai mari, ionii au timp sa fie accelerați și colimați mai mult.

Comparația dintre un propulsor convențional (sus) și DS4G

Propulsorul a fost dezvoltat de ESA și Universitatea Nationala din Australia și testat într-o încăpere vidată de europeni în 2005 și 2006. A atins viteze de evacuare de 147 km/sec, cu o putere electrică de 30 kW și o forță propulsivă de 6.5 mN. Extrapolat pentru un dispozitiv spațial, nu de la laborator, un astfel de propulsor poate consuma 250 kW, atingând viteze de evacuare de 210 km/sec, și forță propulsivă de 2.5N. Toate cu un propulsor cu un diametru de 20 cm.

Propulsorul DS4G pe bancul de lucru (sus) și în campania experimentală (jos)

Nu e discuție: 210 km/sec e colosal, și ar permite misiuni robuste către sistemul solar exterior (centura Kuiper, norul Oort sau punctul focal al Soarelui, la sute de unități astronomice distanță). Propus mișelește ca și posibilă alternativă pentru propulsoarele convenționale (HiPEP și NSTAR), dezvoltarea acestui propulsor (de fapt clase de propulsoare) a fost oprită către finalul anilor 2000 după anularea programului Prometheus. Din nou, 250 kW în spațiu necesită un reactor.

Saptamana viitoare vom continua propulsoare electrostatice prezentand propulsoarele cu efect Hall (engl Hall Effect Thruster).

Va urma!
 

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