موضوع مقاله: موتور پیشران پلاسما | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # موتور پیشران پلاسما | مقدمه: این برخلاف موتورهای پیشران یونی است که رانش را از طریق استخراج جریان یونی از منبع پلاسما تولید می‌کنند و سپس این یون‌ها با استفاده از شبکه‌های آند به سرعت‌های بالا شتاب داده می‌شوند. | ## بخش 1: موتور پیشران پلاسما | با این حال، در متون علمی، اصطلاح «پیشران پلاسما» گاهی شامل پیشران‌هایی می‌شود که معمولاً به عنوان «موتورهای یونی» شناخته می‌شوند. پیشران‌های پلاسما معمولاً از شبکه‌های ولتاژ بالا یا آند/کاتدها برای شتاب دادن به ذرات باردار در پلاسما استفاده نمی‌کنند، بلکه از جریان‌ها و پتانسیل‌هایی استفاده می‌کنند که به‌طور داخلی برای شتاب دادن به یون‌ها تولید شده‌اند. به دلیل فقدان ولتاژهای شتاب‌دهنده بالا، این امر منجر به سرعت خروجی پایین‌تری می‌شود. فقدان شبکه‌های آند ولتاژ بالا، یک عامل محدودکننده احتمالی ناشی از فرسایش یونی شبکه را حذف می‌کند. خروجی پلاسما «شبه‌خنثی» است، به این معنی که یون‌های مثبت و الکترون‌ها به تعداد مساوی وجود دارند؛ این امر اجازه می‌دهد تا بازترکیب ساده یون-الکترون در خروجی، ستون خروجی (Plume) را خنثی کند و نیاز به یک تفنگ الکترونی (کاتد توخالی) را از بین ببرد. چنین پیشرانی اغلب پلاسما منبع را با استفاده از انرژی فرکانس رادیویی یا ریزموج (مایکروویو) و با استفاده از یک آنتن خارجی تولید می‌کند. این واقعیت، همراه با عدم وجود کاتدهای توخالی (که به همه گازها جز گازهای نجیب حساس هستند)، امکان استفاده از این پیشران را با انواع پیشرانه‌ها، از آرگون گرفته تا مخلوط هوای کربن دی‌اکسید و حتی ادرار فضانوردان فراهم می‌کند. موتورهای پلاسما به دلیل تکانه ویژه بالای خود برای مأموریت‌های میان‌سیاره‌ای بسیار مناسب هستند. بسیاری از سازمان‌های فضایی سیستم‌های پیشرانش پلاسما را توسعه داده‌اند، از جمله آژانس فضایی اروپا، سازمان فضایی ایران و دانشگاه ملی استرالیا که به‌طور مشترک یک پیشران لایه دوگانه را توسعه دادند. اولین استفاده از موتورهای پلاسما، یک پیشران پلاسما پالسی (PPT) در کاوشگر فضایی زوند ۲ متعلق به شوروی بود که حامل شش PPT بود که به عنوان محرک‌های سیستم کنترل وضعیت عمل می‌کردند. سیستم پیشرانش PPT در ۱۴ دسامبر ۱۹۶۴، زمانی که فضاپیما در فاصله ۴٫۲ میلیون کیلومتری از زمین قرار داشت، به مدت ۷۰ دقیقه آزمایش شد. با این حال، تخمین‌های رانش منتشر شده در آن کار، متعاقباً نشان داده شد که تقریباً نه برابر سطوح تئوری ممکن است، حتی اگر ۱۰۰٪ توان ریزموج (مایکروویو) ورودی به رانش تبدیل می‌شد. شرکت کانادایی ناتل (Nautel) در حال تولید ژنراتورهای RF دویست کیلوواتی مورد نیاز برای یونیزه کردن پیشرانه است. | ## بخش 2: موتور پیشران پلاسما | برخی از آزمایش‌های قطعات و آزمایش‌های «شلیک پلاسما» در آزمایشگاهی در لیبریا، کاستاریکا انجام می‌شود. اتحاد هوافضای کاستاریکا از توسعه یک سازه پشتیبانی خارجی برای واسیمر (VASIMR) خبر داد که قرار است در خارج از ایستگاه فضایی بین‌المللی نصب شود. این مرحله از برنامه آزمایش واسیمر در فضا، انتظار می‌رفت که در سال ۲۰۱۶ انجام شود. مزایا موتورهای پلاسما دارای تکانه ویژه ($I_{sp}$) بسیار بالاتری نسبت به اکثر انواع دیگر فناوری‌های موشکی هستند. پیشران واسیمر (VASIMR) می‌تواند برای تکانه‌ای بیش از ۱۲۰۰۰ ثانیه تنظیم شود و پیشران‌های اثر هال به حدود ۲۰۰۰ ثانیه رسیده‌اند. با تکانه بالا، پیشران‌های پلاسما قادر به رسیدن به سرعت‌های نسبتاً بالا در دوره‌های طولانی شتاب‌گیری هستند. فرانکلین چانگ دیاز، فضانورد سابق، ادعا می‌کند که پیشران واسیمر می‌تواند یک محموله را در مدت زمان کمی برابر با ۳۹ روز به مریخ بفرستد. تئوری عملکرد آن‌ها نسبتاً ساده است و می‌توانند از انواع گازها یا ترکیبی از آن‌ها استفاده کنند. این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که پیشران‌های پلاسما برای بسیاری از پروفایل‌های مأموریت ارزشمند هستند. معایب احتمالاً مهم‌ترین چالش برای قابلیت استفاده از پیشران‌های پلاسما، نیاز به انرژی است. برای مثال، موتور VX-200 برای تولید ۵ نیوتن نیروی رانش به ۲۰۰ کیلووات توان الکتریکی نیاز دارد (یا ۴۰ کیلووات بر نیوتن). این نیاز انرژی ممکن است توسط رآکتورهای شکافت تأمین شود، اما جرم رآکتور (شامل سیستم‌های دفع حرارت) ممکن است بازدارنده باشد. در حین عملیات، پلاسما می‌تواند دیواره‌های حفره پیشران و ساختار پشتیبانی را به صورت حرارتی دچار سایش (Ablation) کند که در نهایت می‌تواند منجر به خرابی سیستم شود. | ## بخش 3: موتور پیشران پلاسما | به‌طور متوسط، موتورهای پلاسما حداکثر حدود ۲ پوند (حدود ۰٫۹ کیلوگرم-نیرو) رانش تولید می‌کنند. رانش در عملیات جوی تقریباً به صفر کاهش می‌یابد، بنابراین موتورهای پلاسما برای پرتاب به مدار زمین مناسب نیستند. انواع موتور پیشران‌های پلاسما هلیکون پیشران‌های پلاسما هلیکون از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین (امواج هلیکون) استفاده می‌کنند که هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی ساکن در داخل پلاسما وجود دارند. یک آنتن RF که به دور یک محفظه گاز پیچیده شده است، امواج را ایجاد کرده و گاز را تحریک می‌کند و پلاسما می‌سازد. پلاسما با سرعت بالا به بیرون رانده می‌شود تا از طریق استراتژی‌های شتاب‌دهی که نیاز به ترکیبات مختلفی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با توپولوژی ایده‌آل دارند، رانش تولید کند. این پیشران‌ها از چندین نوع پیشرانه پشتیبانی می‌کنند که آن‌ها را برای مأموریت‌های طولانی‌تر مفید می‌سازد. پیشران‌های مگنتوپلاسمادینامیک پیشران‌های مگنتوپلاسمادینامیک (MPD) از نیروی لورنتس (نیرویی حاصل از تعامل بین یک میدان مغناطیسی و یک جریان الکتریکی) برای تولید رانش استفاده می‌کنند. بار الکتریکی که در حضور یک میدان مغناطیسی در پلاسما جریان می‌یابد، باعث شتاب پلاسما می‌شود. پیشران‌های القایی پالسی پیشران‌های القایی پالسی (PIT) نیز از نیروی لورنتس برای تولید رانش استفاده می‌کنند، اما از الکترود استفاده نمی‌کنند که این امر مشکل فرسایش را حل می‌کند. یونیزاسیون و جریان‌های الکتریکی در پلاسما توسط یک میدان مغناطیسی که به سرعت تغییر می‌کند، القا می‌شوند. پیشران‌های پلاسما بدون الکترود پیشران‌های پلاسما بدون الکترود از نیروی پوندروموتیو استفاده می‌کنند که بر هر پلاسما یا ذره باردار تحت تأثیر یک گرادیان چگالی انرژی الکترومغناطیسی قوی عمل می‌کند تا الکترون‌ها و یون‌های پلاسما را در همان جهت شتاب دهد و در نتیجه بدون نیاز به خنثی‌کننده عمل می‌کند. سپس یک میدان مغناطیسی پلاسما را از موتور به بیرون شتاب می‌دهد و رانش تولید می‌کند. | ## جمع‌بندی | یک موتور واسیمر ۲۰۰ مگاواتی می‌تواند زمان سفر از زمین به مشتری یا زحل را از شش سال به چهارده ماه، و از زمین به مریخ را از ۶ ماه به ۳۹ روز کاهش دهد.