Παλμικός προωθητήρας πλάσματος

Ο παλμικός προωθητήρας πλάσματος (παριστάνεται με τη συντομογραφία PPT: Pulsed Plasma Thruster) είναι μια μέθοδος ηλεκτρικής προώθησης διαστημοπλοίων, που είναι επίσης γνωστή γενικότερα ως «κινητήρας πίδακα πλάσματος». Οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος θεωρούνται ως η απλούστερη μορφή ηλεκτρικής προώθησης διαστημοπλοίων και ήταν η πρώτη μορφή ηλεκτρικής προώθησης που χρησιμοποιήθηκε στο διάστημα. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε σε δύο σοβιετικά μη επανδρωμένα διαστημόπλοια (βολιστήρες), τα Ζοντ 2 και Ζοντ 3, αρχίζοντας από το 1964.

 Οι περισσότεροι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος χρησιμοποιούν ένα στερεό υλικό (συνήθως πολυτετραφθοροαιθυλένιο - PTFE) ως προωθητικό, αν και μια μειονότητά τους χρησιμοποιεί υγρά ή ακόμη και αέρια προωθητικά. Το πρώτο στάδιο της λειτουργίας ενός παλμικού προωθητήρα πλάσματος περιλαμβάνει ένα βολταϊκό τόξο διαμέσου ποσότητας του καυσίμου, προκαλώντας αποσάθρωση και εξάχνωση του καυσίμου Η θερμότητα που παράγεται από το βολταϊκό τόξο μετατρέπει στη συνέχεια το παραγόμενο αέριο σε πλάσμα, δηλαδή δημιουργεί ένα φορτισμένο αεριώδες νέφος. Το βολταϊκό τόξο δημιουργείται από ένα ζεύγος αντίθετα φορτισμένων πλακών (μιας ανόδου και μιας καθόδου). Εφόσον το πλάσμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, το καύσιμο σε κατάσταση πλάσματος ολοκληρώνει το ηλεκτρικό κύκλωμα, επιτρέποντας έτσι τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος (πρακτικά ροή ηλεκτρονίων) μεταξύ των δυο πλακών. Αυτή η ροή των ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που εφαρμόζει μια δύναμη Λόρεντζ (Lorentz force) πάνω στο πλάσμα, επιταχύνοντάς το έξω από τον παλμικό προωθητήρα πλάσματος με υψηλή ταχύτητα. Αυτή η παλμική εκτόνωση διαρκεί μέχρι να ξαναφορτιστούν οι πλάκες, για ένα νέο βολταϊκό τόξο και ακολούθως νέα παραγωγή και εκτόνωση πλάσματος. Η συχνότητα του παλμού (δηλαδή του κύκλου βολταϊκού τόξου, δημιουργίας πλάσματος, εκτόνωσης και επαναφόρτισης των πλακών) είναι κανονικά πολύ υψηλή και γι΄ αυτό δημιουργείται μια σχεδόν συνεχής και ομαλή ώθηση. Παρόλο που η συνολική ώθηση είναι σχετικά χαμηλή, ένας παλμικός προωθητήρας πλάσματος μπορεί να λειτουργεί συνεχόμενα για παρατεταμένες χρονικές περιόδους, αποδίδοντας μια μεγάλη τελική επιτάχυνση. Η ενέργεια που χρησιμοποιείται για κάθε παλμό αποθηκεύεται προσωρινά σε έναν πυκνωτή. Μεταβάλλοντας το χρόνο μεταξύ δύο εκφορτίσεων του πυκνωτή, μεταβάλλεται (και έτσι ελέγχεται) η ισχύς και η ώθηση που εξασφαλίζει ο παλμικός προωθητήρας πλάσματος, γεγονός που επιτρέπει την ευέλικτη χρήση του συστήματος. Η σχέση μεταβολής της ταχύτητας ενός διαστημοπλοίου δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση Τσιολκόφσκι (Tsiolkovsky equation): όπου: m0: Η αρχική συνολική μάζα του σκάφους, συμπεριλαμβανομένου του προωθητικού. m1: Η τελική συνολική μάζα του σκάφους. υe: Η αποτελεσματική ταχύτητα εκτόνωσης, δηλαδή υe = Isp · g0, όπου Isp είναι η σχετική ώθηση, εκφραζόμενη σε μια χρονική περίοδο και g0 η πρότυπη επιτάχυνση της βαρύτητας = 9,80665 m/s². Δυ (διεθνώς delta-v): Η μέγιστη μεταβολή της ταχύτητας του σκάφους (χωρίς να ληφθούν υπόψη επιδράσεις εξωτερικών δυνάμεων). ln: Συμβολίζει τη συνάρτηση του φυσικού λογάριθμου.Οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος έχουν πολύ υψηλότερη ταχύτητα εκτόνωσης από τους προωθητήρες χημικής προώθησης, αλλά και πολύ μικρότερο ρυθμό ροής καυσίμου. Ωστόσο, με βάση την παραπάνω εξίσωση Τσιολκόφσκι, το τελικό αποτέλεσμα είναι υψηλότερη τελική ταχύτητα για τα προωθούμενα σκάφη. Η ταχύτητα εκτόνωσης ενός παλμικού προωθητήρα προώθησης είναι της τάξης των δεκάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (δηλαδή > 10 km/s), ενώ η συμβατική χημική προώθηση παράγει θερμικές ταχύτητες, που ποικίλουν από 2 ως 4,5 km/s. Εξαιτίας αυτής της μικρότερης θερμικής ταχύτητας, οι μονάδες χημικής προώθησης γίνονται εκθετικά λιγότερο αποτελεσματικές σε υψηλότερες ταχύτητες σκάφους, κάνοντας όχι μόνο πλεονεκτική αλλά και αναγκαία τη χρήση ηλεκτρικών συστημάτων προώθησης (όπως είναι οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος) για την παραγωγή των αναγκαίων διαπλανητικών ταχυτήτων, που κυμαίνονται μεταξύ 20 και 70 km/s Η έρευνα της NASA για τους παλμικούς προωθητήρες πλάσματος (που άρχισε από το 2000) πέτυχε ταχύτητα εκτόνωσης ως και 13.700 m/s, που παράχθηκε από ώθηση 860 μN και κατανάλωση 70 W ηλεκτρικής ισχύος. Αυτά τα χαρακτηριστικά επέτρεψαν σε διαστημικό σκάφος να επιτύχει μέγιστη ταχύτητα σχεδόν διπλάσια από τη μέγιστη ταχύτητα διαστημικού λεωφορείου, που είναι 28.968 km/h. Οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος είναι πολύ ανθεκτικοί, χάρη στην εγγενώς απλή σχεδίασή τους (σε σύγκριση με τις άλλες τεχνικές ηλεκτρικής προώθησης διαστημικών οχημάτων). Επιπλέον απορροφούν σχετικά μικρή ηλεκτρική ισχύ σε σύγκριση με άλλους συγκρίσιμους προωθητήρες. Ως ένα ηλεκτρικό σύστημα προώθησης οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος πλεονεκτούν στη μικρή κατανάλωση καυσίμων, σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς χημικούς πυραύλους, μειώνοντας έτσι την μάζα εκτόξευσης και γι' αυτό και το κόστος εκτόξευσης, αλλά επίσης εξασφαλίζουν υψηλές επιδόσεις στη βελτίωση της ειδικής ώθησης. Ωστόσο, εξαιτίας της απώλειας ενέργειας που προκαλείται από τον αργό χρόνο αποσάθρωσης και τον υψηλό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας από το προωθητικό στο υπόλοιπο διαστημικό όχημα, η αποδοτικότητα του προωθητικού είναι πολύ χαμηλή σε σύγκριση με άλλες μορφές ηλεκτρικής προώθησης, υπολογιζόμενη σε μόλις περίπου 10%. Οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος είναι πολύ κατάλληλοι για χρήσεις σε σχετικά μικρά διαστημικά οχήματα με μάζα μικρότερη από 100 χιλιόγραμμα (ιδιαίτερα κυβοδορυφόρους, CubeSats) για ρόλους ελέγχου του ύψους περιφοράς, σταθεροποίησης θέσης, πραγματοποίησης ελιγμών εξόδου από τροχιά και εξερεύνησης διαστήματος σε μεγάλες αποστάσεις από διαστημικούς βολιστήρες. Με τη χρήση παλμικών προωθητήρων πλάσματος θα μπορούσε να διπλασιαστεί η διάρκεια λειτουργίας αποστολών μικρών δορυφόρων χωρίς σημαντική αύξηση της πολυπλοκότητας ή του κόστους, χάρη στην εγγενή απλότητα και την σχετικά μικρού κόστους φύση των παλμικών προωθητήρων πλάσματος. Ένας παλμικός προωθητήρας πλάσματος χρησιμοποιήθηκε το Νοέμβριο του 2000 από τη NASA σε μια πειραματική πτήση του διαστημικού οχήματος Earth Observing-1. Οι προωθητήρες του οχήματος κατέδειξαν με επιτυχία την ικανότητα αυτού του συστήματος προώθησης στον έλεγχο του διαστημικού οχήματος, αλλά και ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται κατά τη λειτουργία του δεν ασκεί επιρροή σε άλλα συστήματα του σκάφους. Οι παλμικοί προωθητήρες πλάσματος αποτελούν επίσης δημοφιλές αντικείμενο ακαδημαϊκής έρευνας πάνω στην ηλεκτρική προώθηση, χάρη στις μοναδικές τους δυνατότητες σε σύγκριση με τα άλλα προωθητικά συστήματα, στη σχετική τους απλότητα και το μικρότερο κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Aerojet (Redmond, WA USA) - Pulsed Plasma Thruster Vendor Design of a High-energy, Two-stage Pulsed Plasma Thrust EO1 Pulsed Plasma Thruster Gas-Fed Pulsed Plasma Thrusters: From Sparks to Laser Initiation