محرك أيوني

مقارنة

من جهة ثانية، تقدم المحركات الأيونية دفعا أقل بكثير من المحركات الصاروخية المعتادة، فدفع محرك أيوني يعادل وزن كارت البريد

وفي السياق ذاته، يقوم المحرك الصاروخي المعتاد برفع المسبار إلى الفضاء بقوة خلال دقائق يستهلك خلالها مئات الأطنان من الوقود. وفي الفضاء يمكن للمحرك الأيوني أن يقوم بزيادة السرعة أو توجيه المسبار، ويؤدي ذلك خلال أشهر وسنوات.

ومن ناحية أخرى، (70 ميللي نيوتن), ولكن سرعة خروج الأيونات تكون عظيمة (10 إلى 130) كيلومتر في الثانية ويمكن تشغيلها لفترات طويلة. ولكن لاستخدام محرك أيوني يجب أن تكون المركبة الفضائية خفيفة الكتلة بحيث يعمل المحرك الايوني على تسريعها خلال دفع لمدة طويلة .

ومن جهة أخرى، المسبار الفضائي SMART-1 يزن مثلا 367 كيلوجرام ويحمل معه 84 كيلوجرام من الزينون الذي يتحول إلى ايونات ويتم تسريعها فتقوم بدفع المسبار في الاتجاه المعاكس لخروجها من المسبار.

علاوةً على ذلك، وقد وصلت قدرة المحركات الأيونية إلى نحو عدة كيلوواط . ولتحريك كتل كبيرة فيحتاج المحرك الإيوني العمل عبر مدة طويلة (أسابيع، أشهر أو سنوات) . أي في البعثات الفضائية طويلة الأمد.

ومن جهة أخرى، ميزة المحرك الأيوني بالمقارنة بالمحرك الصاروخي المعتاد أن مع إنتاج نفس الدفع يحتاج المحرك الأيوني كتلة أقل، إذ أن سرعة انطلاق الأيونات من المسبار تكون أكبر كثيرا. فتبلغ الدفع النوعي للزينون 3000 ثانية في حين الدفع النوعي لغاز الاحتراق (الصاروخي) 370 ثانية.

المحرك الايوني يعمل في الفراغ ولهذا فهو يصلح في الفضاء .

علاوةً على ذلك، والمشكلة في المحركات الأيونية أنها تحتاج إلى طاقة كبيرة (تصل في سمارت1 إلى 1300 واط للمحرك نفسه) . وقد ابتكر نوع جديد من الخلايا الشمسية Triple-Junction-GaInP2/GaAs/Ge-Solar cells تنتج قدرة كهربائية عالية تبلغ نحو 370 واط للمتر المربع بكفاءة 27% لسمارت-1 , بغرض إنتاج طاقة كهربائية كافية بمساحة مناسبة من الألواح الضوئية التي تشغل المسبار وتشغل المحرك الأيوني.

وفي السياق ذاته، أي أن سرعة الأيونات تبلغ ستة أضعاف سرعة الغازات المشتعلة الناتجة من المحرك الصاروخي.

في هذا الإطار، إن زيادة سرعة انطلاق الأيونات من المسبار إلى الضعف تحتاج إلى زيادة في الطاقة الكهربائية أربع مرات . والهدف عند بناء محرك إيوني هو جعل كتلة المسبار اقل ما يمكن، ويحتاج إلى سرعة فائقة للأيونات . أي أن المحرك الأيوني يحتاج إلى توافق بين كتلة المسبار (بما فيها الألواح الشمسية) والطاقة المتولدة .

محركات الدفع الأيونية الكهروستاتيكية الشبكية

في هذا الإطار، تُفصل الأيونات الموجبة الشحنة بواسطة نظام يتكون من شبكتين أو ثلاث شبكات متعددة الفتحات. بعد دخولها إلى نظام الشبكة بالقرب من غلاف البلازما، تُسرّع الأيونات بفعل فرق الجهد بين الشبكتين الأولى والثانية (وتُسميان شبكة الحماية وشبكة التسريع، على التوالي) لتصل إلى طاقة أيونية نهائية تتراوح عادةً بين 1 و2 كيلو إلكترون فولت، مما يُولّد قوة الدفع.

نظام أيونات الزينون النووي الكهربائي (NEXIS).

وفي هذا الصدد، تتم عملية التأيين في حجرة التفريغ، حيث يتم قذف الوقود بإلكترونات عالية الطاقة، مما يؤدي إلى قذف إلكترونات التكافؤ من ذرات غاز الوقود، فتصبح أيونات ذات شحنة موجبة. ويمكن توفير هذه الإلكترونات بواسطة سلك كاثود ساخن وتسريعها عبر فرق الجهد باتجاه المصعد. بدلاً من ذلك، يمكن تسريع الإلكترونات بواسطة مجال كهربائي مستحث متذبذب يتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس كهربائي متناوب، مما يؤدي إلى تفريغ ذاتي الاستدامة بدون مهبط (محرك أيوني بترددات الراديو).

ومن جهة أخرى، تُصدر محركات الدفع الأيوني حزمة من الأيونات الموجبة الشحنة. ولمنع تراكم الشحنة على المركبة الفضائية، يُوضع مهبط آخر بالقرب من المحرك لإطلاق الإلكترونات في حزمة الأيونات، مما يُبقي الوقود متعادلًا كهربائيًا. هذا يمنع انجذاب حزمة الأيونات (وعودتها) إلى المركبة الفضائية، الأمر الذي من شأنه أن يُلغي قوة الدفع.

إضافةً إلى ذلك، . تتمثل ميزتها الرئيسية في الفصل المادي بين عملية تأيين الوقود وعملية تسريع الأيونات.

ومن جهة أخرى، نظام ناسا لتطبيقات الطاقة الشمسية (NSTAR)، بقدرة 2.3 كيلوواط، استُخدم في مهمتين ناجحتين.

وفي السياق ذاته، نظام الدفع الكهربائي عالي القدرة (HiPEP)، بقدرة 25 كيلوواط، تم بناء نموذج اختبار وتشغيله لفترة وجيزة على الأرض.

ومن جهة أخرى، بدأ تطوير محركات الدفع الأيونية الكهروستاتيكية الشبكية في ستينيات القرن الماضي ، ومنذ ذلك الحين، استُخدمت في دفع الأقمار الصناعية التجارية والبعثات العلمية.

وفي هذا السياق، أبحاث دافعات الأيونات الكهروستاتيكية الشبكية (الماضي/الحاضر):

• محرك أيونات الترددات الراديوية التابع لشركة إيرباص للدفاع والفضاء (RIT).
• نظام ثنائي المراحل رباعي الشبكة (DS4G).
• انظر ايضأ
• إدغار شويري
• محرك دفع بلازما
• مشروع بروميثيوس
• بعثة ليزا باثفايندر
• دافع الأيونات الشبكي

وفي هذا السياق، محرك الزينون التطوري التابع لناسا (NEXT)، بقدرة 6.9 كيلوواط، تم بناء جهاز اختبار الطيران؛ استُخدم في مهمة DART.

مبدأ العمل العام

من جانب آخر، تنقسم المحركات الأيونية إلى كهروستاتيكي وكهرومغناطيسي. الفرق الرئيسي بينهما هو طريقة تسريع الأيونات.

من جانب آخر، تتمثل مصادر الطاقة للمحركات الأيونية عادةً في ألواح شمسية كهربائية، لكن على مسافات بدرجة كافية من الشمس، وتُستعمل كذلك الطاقة النووية. تكون كتلة مصدر الطاقة في كلا الحالتين متناسبة مع ذروة الطاقة التي يُمكن الإمداد بها، وتتوفر الطاقة في كلا الحالتين لهذا المحرك على وجه التقريب بشكل غير محدود.

من جهة ثانية، تستعمل المحركات الأيونية الكهروستاتيكية قوة كولوم، وتُسرّع الأيونات في اتجاه الحقل الكهربائي.

من جهة ثانية، تستعمل المحركات الأيونية الأشعة الأيونية (ذرات أو جزيئات مشحونة كهربائيًا) من أجل توليد قوة دفع بشكل ينسجم مع انخفاض الزخم الحركي. تختلف طريقة تسريع الأيونات، لكن تستفيد كل التصاميم من نسبة الكتلة/الشحنة للأيونات. تعني هذه النسبة إمكانية توليد اختلافات محتملة صغيرة نسبيًا لسرعات عالية للعادم. يُقلل هذا من كمية كتلة التفاعل أو المادة الدافعة المطلوبة، لكنه يزيد من كمية الطاقة النوعية المطلوبة بالمقارنة مع الصواريخ الكيميائية. ولذلك تقدر المحركات الأيونية على تحقيق اندفاعات نوعية عالية. إنّ مشكلة قوة الدفع المنخفضة هي التسارع المنخفض، بسبب ارتباط كتلة وحدة الطاقة الكهربائية مباشرةً بكمية الطاقة. تجعل قوة الدفع المنخفضة هذه المحركات الأيونية غير مناسبة لإطلاق المركبات المدارية إلى المدار، لكنها فعالة بالنسبة للدفع في الفضاء.

من جهة ثانية، تستعمل المحركات الأيونية الكهرومغناطيسية قوة لورنتس لتحريك الأيونات.

الأصول

وفي هذا السياق، جرت دراسة محرك دفع يعمل بتأثير هول بشكل مستقل في الولايات المتحدة الأمريكية وفي الاتحاد السوفييتي في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، وهو شكل بديل من الدفع الكهربائي. جرى تشغيل محركات تعمل بتأثير هول على متن أقمار اصطناعية سوفييتية منذ العام 1972 وحتى نهايات التسعينيات من القرن العشرين، إذ استعمل بشكل رئيسي من أجل عملية استقرار الأقمار الاصطناعية في الاتجاهات شمال-جنوب وشرق-غرب. أكملت نحو 100 إلى 200 محرك مهامها على متن الأقمار الاصطناعية الروسية والسوفييتية. قُدّم تصميم محرك الدفع السوفييتي إلى الغرب في عام 1992، وذلك بعد أن زار فريق من المتخصصين في الدفع الكهربائي المختبرات السوفييتية تحت إشراف منظمة الدفاع الصاروخي البالستي.

وفي السياق ذاته، بنى هارولد أر. كاوفمان محرك أيوني عامل في عام 1959 في منشآت مركز غلين للأبحاث التابع لناسا. كان مشابهًا للمحرك الأيوني الكهروستاتيكي المُشبَّك، واستعمل الزئبق بمثابة مادة دافعة حيث يسهل تبخيره. أُجريت الاختبارات دون المدارية خلال ستينيات القرن العشرين، وفي عام 1964 أُرسل المحرك في رحلة دون مدارية على متن مسبار اختبار الصاروخ الكهربائي الفضائي 1 (واختصارًا إس إي أر تي 1). عمل بشكل ناجح لمدة 31 دقيقة كما كان مخططا قبل أن يسقط إلى الأرض. تَبِع هذا الاختبار في عام 1970 الاختبار المداري إس إي أر تي-2.

في هذا الإطار، إن الشخص الأول الذي كتب ورقة تشرح هذه الفكرة علانيةً هو قسطنطين تسيولكوفسكي في سنة 1911. لكن أول وثيقة خاصة أخذت الدفع الكهربائي بعين الاعتبار هي مفكرة مكتوبة بخط اليد لروبرت غودارد بتاريخ 6 سبتمبر عام 1906. أجرى غودارد التجارب الأولى على المحرك الأيوني في جامعة كلارك بين عامي 1916 و 1917. تمت التوصية أن تُنفّذ هذه التقنية في ظروف شبه خلاء وعلى ارتفاع عالٍ، ولكن قُدِّم الدفع باستخدام تيارات هواء متأين بضغط الغلاف الجوي. ظهرت الفكرة مجددًا في كتاب هيرمان أوبرث «الطرق إلى المركبة الفضائية» الذي نُشر في سنة 1923، حيث شرح فيه أفكاره حول توفير الكتلة في الدفع الكهربائي، وتوقع استخدامها في دفع المركبات الفضائية والتحكم بالوضعية، وأيّد التسارع الكهروستاتيكي للغازات المشحونة.