Khi chúng ta nghĩ về du hành vũ trụ, chúng ta có xu hướng hình dung một tên lửa khổng lồ nổ ra từ Trái đất, với những luồng lửa và khói khổng lồ bay ra từ đáy, khi cỗ máy khổng lồ vật lộn để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất. Nhưng một khi tàu vũ trụ đã phá vỡ liên kết hấp dẫn của nó với Trái đất, chúng ta có các lựa chọn khác để cung cấp năng lượng cho chúng. Lực đẩy ion, mơ ước từ lâu trong khoa học viễn tưởng, giờ được sử dụng để gửi tàu thăm dò và tàu vũ trụ trên những hành trình dài xuyên không gian.
NASA lần đầu tiên bắt đầu nghiên cứu lực đẩy ion vào năm 1950. Năm 1998, lực đẩy ion đã được sử dụng thành công như là hệ thống đẩy chính trên tàu vũ trụ, cung cấp năng lượng cho Deep Space 1 (DS1) trong nhiệm vụ của nó tới tiểu hành tinh 9969 chữ nổi và Comet Borrelly. DS1 được thiết kế không chỉ để thăm một tiểu hành tinh và sao chổi, mà còn để thử nghiệm mười hai công nghệ tiên tiến, có nguy cơ cao, đứng đầu trong số đó là chính hệ thống đẩy ion.
Hệ thống đẩy ion tạo ra một lực đẩy nhỏ. Giữ chín phần tư trong tay, cảm nhận lực hấp dẫn của Trái đất kéo chúng và bạn có thể biết chúng tạo ra lực đẩy nhỏ như thế nào. Chúng có thể được sử dụng để phóng tàu vũ trụ từ các cơ thể có lực hấp dẫn mạnh. Sức mạnh của họ nằm ở việc tiếp tục tạo lực đẩy theo thời gian. Điều này có nghĩa là họ có thể đạt được tốc độ tối đa rất cao. Máy đẩy ion có thể đẩy tàu vũ trụ đạt tốc độ trên 320.000 kp / h (200.000 dặm / giờ), nhưng chúng phải hoạt động trong một thời gian dài để đạt được tốc độ đó.
Một ion là một nguyên tử hoặc một phân tử đã bị mất hoặc thu được một điện tử, và do đó có điện tích. Vì vậy, ion hóa là quá trình cung cấp điện tích cho nguyên tử hoặc phân tử, bằng cách thêm hoặc loại bỏ các electron. Sau khi được sạc, một ion sẽ muốn di chuyển liên quan đến từ trường. Đó là trung tâm của các ổ đĩa ion. Nhưng một số nguyên tử nhất định phù hợp hơn cho việc này. Các ổ ion ion của NASA thường sử dụng xenon, một loại khí trơ, vì không có nguy cơ nổ.
Trong một ổ ion, xenon là một nhiên liệu. Nó không được đốt cháy, và nó không có đặc tính vốn có làm cho nó hữu ích như một loại nhiên liệu. Nguồn năng lượng cho một ổ ion phải đến từ một nơi khác. Nguồn này có thể là điện từ pin mặt trời, hoặc điện được tạo ra từ nhiệt phân hủy từ vật liệu hạt nhân.
Các ion được tạo ra bằng cách bắn phá khí xenon bằng các electron năng lượng cao. Sau khi được sạc, các ion này được hút qua một cặp lưới tĩnh điện, được gọi là thấu kính, bởi các điện tích của chúng, và bị tống ra khỏi buồng, tạo ra lực đẩy. Sự phóng điện này được gọi là chùm ion, và một lần nữa nó được tiêm electron, để trung hòa điện tích của nó. Ở đây, một đoạn video ngắn cho thấy các ổ ion hoạt động như thế nào:
Không giống như một tên lửa hóa học truyền thống, nơi lực đẩy của nó bị giới hạn bởi lượng nhiên liệu có thể mang và đốt, lực đẩy được tạo ra bởi một ổ ion chỉ bị giới hạn bởi sức mạnh của nguồn điện. Lượng nhiên liệu mà một chiếc máy bay thủ công có thể mang theo, trong trường hợp này là xenon, là mối quan tâm thứ yếu. Tàu vũ trụ của NASA Dawn Dawn chỉ sử dụng 10 ounce chất phóng xạ xenon mà mà ít hơn một lon soda trong 27 giờ hoạt động.
Về lý thuyết, không có giới hạn nào về sức mạnh của nguồn điện cung cấp năng lượng cho ổ đĩa, và công việc đang được thực hiện để phát triển các máy đẩy ion mạnh hơn nữa so với chúng ta hiện có. Vào năm 2012, NASA Thr Evolution Xenon Thruster (NEXT) hoạt động ở mức 7000w trong hơn 43.000 giờ, so với ổ ion trên DS1 chỉ sử dụng 2100w. TIẾP THEO và các thiết kế sẽ vượt qua nó trong tương lai, sẽ cho phép tàu vũ trụ thực hiện các nhiệm vụ mở rộng tới nhiều tiểu hành tinh, sao chổi, các hành tinh bên ngoài và mặt trăng của chúng.
Các nhiệm vụ sử dụng lực đẩy ion bao gồm sứ mệnh Dawn Dawn của NASA, sứ mệnh Hayabusa của Nhật Bản tới tiểu hành tinh 25143 Itokawa và các nhiệm vụ ESA sắp tới là Caplicolombo, sẽ đến Mercury năm 2017 và LISA Pathfinder, sẽ nghiên cứu sóng hấp dẫn tần số thấp.
Với sự cải tiến liên tục trong các hệ thống đẩy ion, danh sách này sẽ chỉ phát triển.
