Lực đẩy plasma là một chủ đề được các nhà thiên văn học và các cơ quan vũ trụ quan tâm. Là một công nghệ tiên tiến mang lại hiệu quả nhiên liệu đáng kể so với các tên lửa hóa học thông thường, nó hiện đang được sử dụng trong mọi thứ, từ tàu vũ trụ và vệ tinh cho đến các nhiệm vụ thám hiểm. Và nhìn về tương lai, plasma chảy cũng đang được nghiên cứu cho các khái niệm lực đẩy tiên tiến hơn, cũng như phản ứng tổng hợp từ tính.
Tuy nhiên, một vấn đề phổ biến với lực đẩy plasma là thực tế là nó phụ thuộc vào thứ được gọi là chất trung hòa hóa. Thiết bị này, cho phép tàu vũ trụ duy trì trạng thái trung tính, là một sự tiêu hao năng lượng bổ sung. May mắn thay, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học York và École Polytechnique đang nghiên cứu một thiết kế máy đẩy plasma sẽ loại bỏ hoàn toàn với một bộ trung hòa.
Một nghiên cứu mô tả chi tiết kết quả nghiên cứu của họ - có tiêu đề Động lực lan truyền thoáng qua của các plasma chảy được tăng tốc bởi các điện trường tần số vô tuyến - đã được phát hành vào đầu tháng này Vật lý của plasma - một tạp chí được xuất bản bởi Viện Vật lý Hoa Kỳ. Dẫn đầu bởi Tiến sĩ James Dendrick, một nhà vật lý của Viện Plasma Plasma thuộc Đại học York, họ trình bày một khái niệm cho một máy đẩy plasma tự điều chỉnh.
Về cơ bản, các hệ thống đẩy plasma dựa vào năng lượng điện để ion hóa khí propellant và biến nó thành plasma (nghĩa là các electron tích điện âm và các ion tích điện dương). Những ion và electron này sau đó được gia tốc bằng vòi phun động cơ để tạo lực đẩy và đẩy tàu vũ trụ. Các ví dụ bao gồm máy đẩy hiệu ứng Gridded-ion và Hall, cả hai đều được thiết lập công nghệ đẩy.
Máy đẩy Gridden-ion được thử nghiệm lần đầu tiên vào những năm 1960 và 70 như là một phần của chương trình Thử nghiệm tên lửa điện (SERT). Kể từ đó, nó đã được NASA sử dụng Bình minh Nhiệm vụ, hiện đang khám phá Ceres trong Vành đai tiểu hành tinh chính. Và trong tương lai, ESA và JAXA có kế hoạch sử dụng các máy đẩy sắt Gridded để đẩy sứ mệnh Bếp lửa của họ đến Sao Thủy.
Tương tự, các máy đẩy hiệu ứng Hall đã được điều tra từ những năm 1960 bởi cả hai chương trình không gian của NASA và Liên Xô. Chúng lần đầu tiên được sử dụng như một phần của nhiệm vụ nhỏ ESA cho nghiên cứu nâng cao về công nghệ-1 (SMART-1). Nhiệm vụ này, được đưa ra vào năm 2003 và đâm vào bề mặt mặt trăng ba năm sau đó, là nhiệm vụ ESA đầu tiên đi lên Mặt trăng.
Như đã lưu ý, tất cả các tàu vũ trụ sử dụng các bộ đẩy này đều yêu cầu một bộ trung hòa để đảm bảo rằng chúng vẫn duy trì trạng thái trung hòa điện tích. Điều này là cần thiết vì các máy đẩy plasma thông thường tạo ra các hạt tích điện dương nhiều hơn so với các hạt tích điện âm. Như vậy, các chất trung hòa tiêm các electron (mang điện tích âm) để duy trì sự cân bằng giữa các ion dương và ion âm.
Như bạn có thể nghi ngờ, những electron này được tạo ra bởi các hệ thống năng lượng điện của tàu vũ trụ, điều đó có nghĩa là bộ trung hòa là một sự tiêu hao năng lượng bổ sung. Việc bổ sung thành phần này cũng có nghĩa là hệ thống động lực sẽ phải lớn hơn và nặng hơn. Để giải quyết vấn đề này, nhóm Bách khoa York / École đã đề xuất một thiết kế cho một máy đẩy plasma có thể tự sạc trung tính.
Được biết đến như là động cơ sao Hải Vương, khái niệm này lần đầu tiên được thể hiện vào năm 2014 bởi Dmytro Rafalskyi và Ane Aanesland, hai nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma (LPP) của École Polytechnique và đồng tác giả trên bài báo gần đây. Như họ đã chứng minh, khái niệm này dựa trên công nghệ được sử dụng để tạo ra các cục đẩy ion, nhưng quản lý để tạo ra khí thải có chứa một lượng tương đương các ion tích điện dương và âm.
Như họ giải thích trong quá trình nghiên cứu của họ:
Thiết kế của nó dựa trên nguyên lý gia tốc plasma, nhờ đó sự khai thác ngẫu nhiên các ion và electron đạt được bằng cách áp dụng một điện trường dao động vào quang học gia tốc có lưới. Trong các máy đẩy ion truyền thống, các ion được tăng tốc bằng cách sử dụng nguồn điện áp được chỉ định để đặt một điện trường dòng điện một chiều (dc) giữa các lưới chiết. Trong công việc này, điện áp tự phân cực dc được hình thành khi năng lượng tần số vô tuyến (rf) được ghép với các lưới chiết xuất do sự khác biệt trong khu vực của các bề mặt được cấp nguồn và tiếp đất với plasma.
Nói tóm lại, bộ đẩy tạo ra khí thải trung hòa điện tích hiệu quả thông qua ứng dụng sóng vô tuyến. Điều này có tác dụng tương tự như thêm một điện trường vào lực đẩy, và loại bỏ hiệu quả sự cần thiết của một bộ trung hòa. Như nghiên cứu của họ đã tìm thấy, máy đẩy sao Hải Vương cũng có khả năng tạo ra lực đẩy tương đương với máy đẩy ion thông thường.
Để thúc đẩy công nghệ hơn nữa, họ đã hợp tác với James Dedrick và Andrew Gibson từ Viện Plasma Plasma York để nghiên cứu cách thức bộ đẩy hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Với Dedrick và Gibson trên tàu, họ bắt đầu nghiên cứu làm thế nào chùm tia plasma có thể tương tác với không gian và liệu điều này có ảnh hưởng đến điện tích cân bằng của nó hay không.
Những gì họ tìm thấy là chùm khí thải của động cơ có vai trò lớn trong việc giữ cho chùm tia trung tính, trong đó sự lan truyền của các electron sau khi chúng được đưa vào lưới chiết xuất có tác dụng bù cho điện tích không gian trong chùm plasma. Khi họ nêu trong nghiên cứu của họ:
Quang phổ phát xạ quang phân giải đã được áp dụng kết hợp với các phép đo điện (chức năng phân phối năng lượng ion và điện tử, dòng ion và điện tử và thế năng chùm tia) để nghiên cứu sự lan truyền tạm thời của các electron năng lượng trong một plasma chảy được tạo ra bởi một plasma chảy rf tự điều khiển plasma đẩy. Kết quả cho thấy rằng sự lan truyền của các điện tử trong khoảng thời gian sụp đổ vỏ bọc ở lưới chiết xuất có tác dụng bù điện tích không gian trong chùm plasma.
Đương nhiên, họ cũng nhấn mạnh rằng sẽ cần thử nghiệm thêm trước khi có thể sử dụng máy đẩy Hải Vương. Nhưng kết quả rất đáng khích lệ, vì chúng đưa ra khả năng các máy đẩy ion nhẹ hơn và nhỏ hơn, cho phép tàu vũ trụ thậm chí còn nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng hơn. Đối với các cơ quan không gian muốn khám phá Hệ mặt trời (và hơn thế nữa) trong ngân sách, công nghệ như vậy là không có gì nếu không mong muốn!
