Derin uzay araştırmaları için tasarlanmış plazma tabanlı roket, daha uzun süre dayanır ve yüksek güç üretir.
Derin uzay yolculuğuna artan ilgi, uzay aracını kozmosa itmek için güçlü, uzun ömürlü roket sistemlerinin geliştirilmesini gerektirdi. ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı’ndaki bilim adamları (PPPL) küçük bir değiştirilmiş sürümünü oluşturduk plazmaHall iticisi olarak bilinen, hem roketin ömrünü uzatan hem de yüksek güç üreten temelli tahrik sistemi.
Plazmayla çalışan minyatür cihazın çapı bir inçten daha azdır ve yenilikçi itici konfigürasyonları oluşturmak için plazma itici gazını çevreleyen duvarları kaldırır. Plazma, serbest yüzen elektronlardan ve atom çekirdeğinden veya iyonlardan oluşan bir madde halidir. Bu yenilikler arasında, başlangıçta PPPL’de tasarlanan ve araştırılan silindirik Hall iticisi ve tamamen duvarsız bir Hall iticisi bulunmaktadır. Her iki konfigürasyon da plazma-duvar etkileşimleri tarafından üretilen kanal aşınmasını azaltır ve bu da itici ömrünü sınırlar – tipik halka veya halka şeklindeki Hall iticiler için ve özellikle küçük uydularda kullanılan minyatür düşük güçlü iticiler için önemli bir sorundur.
Yaygın olarak çalışılan
Silindirik Hall iticileri, 1999 yılında PPPL fizikçileri Yevgeny Raitses ve Nat Fisch tarafından icat edildi ve o zamandan beri Laboratuvarın Hall İtici Deneyi (HTX) üzerinde öğrencilerle birlikte çalışıldı. PPPL cihazları ayrıca Kore, Japonya, Çin, Singapur ve Avrupa Birliği gibi ülkelerde, Kore ve Singapur’un onları uçurmayı planladığı ülkelerde incelenmiştir.
Duvarsız Hall iticileri kanal aşınmasını en aza indirebilirken, sistemin performansını düşüren plazma itme bulutunun aşırı genişlemesi veya ayrışması sorunuyla karşı karşıyadırlar. Bu sorunu azaltmak için PPPL, eşmerkezli olarak birleştirilmiş bir akım taşıyıcısı olan segmentli bir elektrot şeklindeki yeni duvarsız sistemine önemli bir yenilik yerleştirdi. Raitses, bu yenilik sadece sapmayı azaltmakla ve roket itişini yoğunlaştırmaya yardımcı olmakla kalmıyor, aynı zamanda gücün düzgün dağıtımını kesintiye uğratan küçük boyutlu Hall itici plazmalarının hıçkırıklarını da bastırıyor.
Yeni bulgular, bir yüksek lisans öğrencisi olan Jacob Simmonds’ın bir dizi makaleyi kapsıyor. Princeton Üniversitesi Makine ve Uzay Mühendisliği Bölümü, doktora eş danışmanı Raitses ile birlikte; PPPL fizikçisi Masaaki Yamada, diğer yardımcı danışman olarak görev yapıyor. Düşük sıcaklıklı plazma fiziği ve HTX üzerine PPPL araştırmasına liderlik eden Raitses, “Son iki yılda, burada açıklanan dinamik iticiye yol açan yeni plazma iticileri fiziği üzerine üç makale yayınladık” dedi. “Bu alanda yeni gelişmeler vaat eden yeni bir etkiyi anlatıyor.”
Hall iticilere segmentli elektrotların uygulanması yeni değildir. Raitses ve Fisch daha önce bu tür elektrotları geleneksel halka şeklindeki Hall iticilerinde plazma akışını kontrol etmek için kullanmıştı. Ancak Simmonds’un son makalesinde ölçtüğü ve tanımladığı etki Uygulamalı Fizik Harfleri çok daha güçlüdür ve genel itici çalışması ve performansı üzerinde daha büyük etkiye sahiptir.
Tüy odaklama
Yeni cihaz, plazma iticinin roketten geniş açılardan ateş etmesine izin vererek, roketin itişine çok az katkıda bulunan duvarsız Hall iticileri sorununun üstesinden gelmeye yardımcı oluyor. Simmonds, “Kısacası, duvarsız Hall iticileri umut verici olsa da kanal duvarlarının olmaması nedeniyle odaklanmamış bir tüye sahip” dedi. “Bu yüzden, itişi ve verimliliği artırmak ve onu uzay aracı için daha iyi bir genel itici yapmak için bulutu odaklamanın bir yolunu bulmamız gerekiyordu.”
Parçalı elektrot, plazmayı şekillendirmek ve dumanın odağını daraltmak ve iyileştirmek için elektrik akımını iticinin yüksek voltajlı standart elektrotundan uzağa yönlendirir. Elektrot, plazma içindeki kuvvetlerin, özellikle de sistemin roketi itmek için hızlandırdığı iyonize ksenon plazma üzerindeki kuvvetlerin yönlerini değiştirerek bu etkiyi yaratır. İyonizasyon, kullanılan işlemin ksenon gazını serbest duran elektronlara ve atom çekirdeğine veya iyonlara dönüştürdü.
Bu gelişmeler, Hall iticileri için önemli bir hedef olan daha az hacimde daha fazla şekillendirerek itme yoğunluğunu arttırdı. Simmonds, segmentli elektrotun ek bir faydasının, “zamanla iyonlaşma hızı değiştikçe plazma miktarının periyodik olarak arttığı ve azaldığı” solunum modu salınımları adı verilen plazma kararsızlıklarının azaltılması olmuştur. Şaşırtıcı bir şekilde, segmentli elektrot bu salınımların kaybolmasına neden olduğunu ekledi. “Bölmeli elektrotlar, bu nedenlerle Hall iticileri için çok faydalıdır” dedi.
Yeni yüksek itme yoğunluklu roket, özellikle küçük kübik uydular veya CubeSats için faydalı olabilir. Simmonds’un güneş patlamaları, Kuzey ışıkları ve diğer uzay olaylarının arkasındaki süreci inceleyen Manyetik Yeniden Bağlantı Deneyi’ne (MRX) başkanlık eden yardımcı doktora danışmanı Masaaki Yamada, bir CubeSat’a güç sağlamak için duvarsız segmentli bir elektrot sisteminin kullanılmasını önerdi. Princeton’da 1911 yılında Evans Crawford Fizik Profesörü olan Prof. Daniel Marlow’un rehberliğinde çalışan Simmonds ve lisans öğrencilerinden oluşan ekibi, bir CubeSat ve böyle bir roket geliştirme önerisini kabul etti. COVID-19 pandemi ve bu gelecekte devam ettirilebilir.
Referans: J. Simmonds ve Y. Raitses, 22 Kasım 2021, “Segmentli elektrot duvarsız Hall iticisinde solunum salınımlarının azaltılması ve dumanın odaklanması”, Uygulamalı Fizik Harfleri.
DOI: 10.1063/5.0070307
Bu çalışma için destek DOE Bilim Ofisi’nden geliyor.
Princeton Üniversitesi’nin Plainsboro, NJ’deki Forrestal Kampüsü’ndeki PPPL, plazmaların fiziği hakkında yeni bilgiler yaratmaya – ultra sıcak, yüklü gazlar – ve füzyon enerjisinin yaratılması için pratik çözümler geliştirmeye adamıştır.