מדחף מגנטו-פלזמי דינמי

מדחף מגנטו-פלזמי דינמי (באנגלית: Magneto Plasma Dynamic או MPD או MPDT) הוא צורה של הנעת חללית המופעלת על ידי חשמל אשר עושה שימוש בכוח לורנץ (הכוח שמופעל על חלקיק טעון על ידי שדה אלקטרומגנטי) כדי ליצור דחף. לפעמים נקראת מאיץ כוח לורנץ (Lorentz Force Accelerator או LFA) או (בעיקר ביפן) "arcjet MPD".
בדרך כלל, חומר גזי מיונן ומוזן לתוך תא האצה, שבו שדות מגנטיים ושדות חשמליים נוצרים באמצעות מקור הכוח. לאחר מכן החלקיקים המונעים על ידי כוח לורנץ שנוצר כתוצאה מהאינטראקציה בין הזרם העובר דרך הפלזמה והשדה המגנטי (שמיוצר על ידי כוח חיצוני או הזרם עצמו) יוצאים החוצה דרך תא הפליטה. יש לציין שבניגוד להנעה כימית אין בתהליך שריפה של דלק. כמו בווריאציות אחרות הנעה חשמלית, גם המתקף הסגולי וגם עליית הדחף מתרחשים בעת עליית הכוח, כשהדחף תלוי בכוח.
ישנם שני סוגים עיקריים של מנועי MPD, שדה-חיצוני ושדה-עצמי. במדחפי שדה-חיצוני טבעות מגנטיות מקיפות את תא הפליטה ויוצרות שדה מגנטי, בעוד שבמדחפי שדה-עצמי ישנה קתודה בעלת מתח במרכז של החדר והיא יוצרת את השדה המגנטי. מדחפי שדה-חיצוני נחוצים ברמות הספק נמוכות יותר, שבו תצורות שדה עצמי חלשות מדי. הודפים שונים כגון קסנון, ניאון, ארגון, מימן, הידרזין, וליתיום משמשים במדחף זה כחומר ההודף, כאשר ליתיום הוא בדרך כלל ההודף הטוב ביותר.
לדברי Edgar Choueiri למדחף מגנטו-פלזמי דינמי יש כוח של 100 - 500 קילוואט, מתקף סגולי של 15 - 60 קילומטרים לשנייה, דחף של 2.5 - 25 ניוטון ויעילות של 40 - 60 אחוזים.
יישום אפשרי אחד של מדחף מגנטו-פלזמי דינמי הוא כמנוע עיקרי להנעת מטען כבד וכלי רכב טיס בחלל.

יתרונות

בתאוריה, מדחפי MPD יכולים לייצר מתקפים סגוליים גבוהים מאוד (Isp) עם מהירות פליטה של עד ומעבר ל-110,000 מטר לשנייה, פי שלושה מהמתקף הסגולי של מדחפי יון מבוססי קסנון הנוכחיים, ופי 25 טובות יותר מרקטות נוזלי. לטכנולוגית MPD יש גם הפוטנציאל לרמות דחף של עד 200 ניוטון (45 lbf), אשר גבוהה בהרבה מכל צורה אחרת של הנעה חשמלית, וגבוה כמעט כמו טילים כימיים כוכביים רבים. דבר זה יאפשר שימוש בהנעה חשמלית במשימות שדורשות תמרוני "delta-v" מהירים (כגון היכנסות למסלול סביב כוכב), שדורשת הרבה פעמים צריכת דלק גבוהה יותר.

פיתוח מדחפים מגנטו-פלזמיים דינמיים

טכנולוגית תמרון MPD נחקרה אקדמית, אבל האינטרס המסחרי היה נמוך בשל כמה בעיות שנותרו. אחת הבעיות הגדולות היא שדרישות כוח בסדר גודל של מאות קילוואט נדרשות לקבלת ביצועים מיטביים. מערכות חשמל הנוכחיות של החלליות הבין-כוכביות (כגון גנרטור רדיואיזוטופי תרמואלקטרי (RTGs)) וקולטי שמש הם חסרי יכולת לייצר כל כך הרבה כוח. פרויקט פרומתאוס של נאס"א היה צפוי לאפשר ייצור של חשמל בטווח של מאות קילוואט אך הופסק בשנת 2005.
פרויקט "החלל הופך גרעיני" נועד ליצור כור של 600 קילוואט אנרגיה, הפרויקט החל בשנת 1963 ורץ במשך רוב שנות ה-60 בברית המועצות.
כור זה נועד לספק כוח ללוויין תקשורת אשר בסופו של הדבר לא אושר.
כורים גרעיניים מספקים חשמל בסדר גודל של פי עשרה יותר מאשר אנרגיית RGT הנוכחיים, בעבר כבר נוצרו על ידי ברית המועצות RGT, לדוגמה עבור לוויין סיור אוקיינוס.
תכנון לפיתוח כור גרעיני בקנה מידה של מגוואטים לשימוש על סיפון חללית מאוישת הוכרזו בשנת 2009 על ידי מכון הרוסי הגרעיני "קורצ", אשר שייכת לסוכנות החלל הפדרלית של רוסיה, ואושרה על ידי נשיא רוסיה דמיטרי מדבדב בנובמבר 2009 בנאומו לאספה הפדרלית.
תוכנית נוספת, שהוצעה על ידי בראדלי ג. אדוארדס, היא אספת כוח על ידי שליחת קרן מהקרקע. תוכנית זו משתמשת ב-5 לייזרי אלקטרונים חופשיים של 200 כ"ס הממוקמים במרחק של 0.84 מיקרומטר זה מזה על הקרקע אשר ישלחו קרן לחללית המופעלת על ידי-MPD, שבו הוא ימיר את הקרן לחשמל על ידי פנלי פוטו של גליום ארסניד.  אורך הגל של הלייזר המתוכנן הוא 0.840 מיקרומטר (1.48 eV לפוטון) והפנלים המתוכננים הם בעלי פער אסור של 1.43 eV כאשר היעילות ההמרה מוערכת ב-59% והספק חזוי של עד 540 קילוואט למטר מרובע. דבר זה יספק מספיק כוח בשביל השלב העליון ב-MPD, אולי להרים לוויינים ממסלול נמוך למסלול גבוה.
בעיה נוספת עם טכנולוגית MPD היא שחיקה של הקתודה בשל התאדות הנגרמת בגלל צפיפויות זרם גבוהות (מעל 100 אמפר לסנטימטר מרובע). השימוש בתערובות ליתיום ובריום כחומר הודף וקתודה חלולה רב-ערוצית הוכחו במעבדה כפתרון מבטיח לבעיה זו.

מחקר

מחקר על מדחפי MPD בוצע בארצות הברית, ברית המועצות לשעבר, יפן, גרמניה, ואיטליה. אבות טיפוס ניסיוניים הוטסו בראשונה בחלליות סובייטית, ולאחרונה, בשנת 1996, על טייס החלל של היחידה היפנית, אשר הוכיחה את הפעולה המוצלחת של מדחף MPD בחלל. מחקר במכון התעופה במוסקבה, RKK Energiya, אוניברסיטה הלאומית אווירית, מכון התעופה חרקוב של אוניברסיטת שטוטגרט, ISAS, Centrospazio,  Alta S.p.A, אוניברסיטת אוסקה, אוניברסיטת דרום קליפורניה, ההינע חשמלי ומעבדת הדינמיקה של אוניברסיטת פרינסטון (EPPDyL) (שם מחקר על מדחפי MPD נמשך ברציפות מאז 1967), ומרכזי נאס"א (מעבדה להנע סילון ומרכז מחקר גלן), פתרו בעיות רבות הקשורות לביצועים, היציבות ומשך החיים של מדחפי MPD.
מדחף MPD נבדק על טייס החלל של היחידה היפנית כחלק מ-EPEX (ניסוי הינע חשמלי או באנגלית Electric Propulsion EXperiment) שהושק ב-18 במרץ 1995 ונבחן שוב במשימה STS-72 של מעבורת חלל ב-20 בינואר 1996.