الدفع الكهربائي بالانبعاث الحقلي

الدفع الكهربائي بالانبعاث الحقلي ( FEEP ) هو مفهوم متطور للدفع الكهروستاتيكي في الفضاء. هو شكل من أشكال دافع أيونات كهربائي ، يستخدم معدنًا سائلًا كوقود دافع - عادةً ما يكون السيزيوم أو الإنديوم أو الزئبق .

يتكون جهاز الدفع الكهربائي بالانبغاث الحقلي FEEP من قطب باعث وقطب مسرّع. فرق جهد من أكبر من 10 كيلو فولط يُطبَّق جهد كهربائي بين المعدنين، مما يُولِّد مجالًا كهربائيًا قويًا عند طرف سطح المعدن. ويؤدي التفاعل بين القوة الكهربائية والتوتر السطحي للمعدن السائل إلى عدم استقرار السطح، مما يُنتج مخاريط تايلور على سطح السائل. عند قيم عالية كافية للمجال المُطبَّق، تُستخلص الأيونات من طرف المخروط عن طريق التبخر الحقلي أو آليات مماثلة، ثم تُسرَّع كهربائيًا إلى سرعات عالية - عادةً سرعة 100 كم/ث أو أكثر. على الرغم من أن سرعة انبعاث الأيونات عالية، إلا أن كتلتها منخفضة للغاية، مما ينتج عنه قوى تسارع ضعيفة جدًا. وتكمن فائدتها في أنها تولّد تسارعا مستمرا على مدى فترات زمنية طويلة.

نظراً لانخفاض قوة دفعها (في نطاق الميكرونيوتن (μN) إلى الميلي نيوتن (mN)، تُستخدم محركات الدفع الكهربائي للأيونات بشكل أساسي للتحكم في وضعية المركبات الفضائية بدقة ميكروراديان وقوة ميكرونيوتن، كما هو الحال في مركبة LISA Pathfinder العلمية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا. كان من المقرر أيضاً تركيب محرك الدفع FEEP على مركبة Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer الفضائية،  ولكن تم استخدام محرك الدفع الأيوني الشبكي بدلاً منه. أول محرك دفع كهربائي بالانبعاث الحقلي تم تشغيله في الفضاء كان محرك IFM Nano Thruster، الذي تم تشغيله بنجاح في مدار أرضي منخفض عام 2018.

 المفهوم الأساسي 
الدفع الكهربائي بالانبعاث الحقلي FEEP هو أسلوب دفع كهربائي ساكن يعتمد على تأيين المعدن السائل بواسطة مجال كهربائي، ثم تسريع الأيونات بواسطة مجال كهربائي قوي. تُستخدم في ذلك عناصر حادة كالإبر لتعزيز وتركيز قوة المجال الكهربائي. تُغطى الإبرة بالمعدن السائل، مما يزيد من تسارع الأيونات إلى أقصى حد.

يحظى نظام الدفع الكهروستاتي ذو الإنبعاث الحقلي باهتمام كبير في الأوساط العلمية حاليًا، نظرًا لخصائصه الفريدة: نطاق دفع يتراوح من أقل من ميكرونيوتن إلى ميلي نيوتن ، وإمكانية تشغيله وإيقافه بشكل شبه فوري، وهو ذو دقة عالية في التحكم بالدفع (أفضل من جزء واحد من 10⁴ )، مما يتيح تعديلًا دقيقًا للدفع في كلٍ من الوضعين المستمر والنبضي. يُعد هذا النظام حاليًا أساسًا للبعثات العلمية على متن الأقمار الصناعية عديمة السحب ، كما تم اقتراحه أيضًا للتحكم في وضعية الأقمار الصناعية الصغيرة التجارية والحفاظ على مداراتها.

 الوقود المعدني السائل 
يمكن لهذا النوع من المحركات النفاثة تسريع عدد كبير من أيونات المعادن السائلة أو السبائك المختلفة. ويمكن الحصول على أفضل أداء (من حيث كفاءة الدفع ونسبة القدرة إلى الدفع) باستخدام معادن قلوية ذات وزن ذري عالٍ، مثل السيزيوم ( Cs 133) والروبيديوم ( وزنه 85.5  وحدة كتل ذرية). تتميز هذه المواد الدافعة بجهد تأين منخفض (3.87 إلكترون فولت للسيزيوم و 4.16 إلكترون فولت للروبيديوم)، يتميزان بنقطة انصهار منخفضة (28.7 °C لـ Cs و 38.9 (درجة مئوية للروبيديوم) وقدرات سيولة جيدة جدًا.

تؤدي هذه الخصائص إلى انخفاض فقد الطاقة الناتج عن التأين والتسخين، وإلى إمكانية استخدام قوى الشعرية للإمداد ، أي لا تستدعي وجود خزانات مضغوطة أو صمامات. علاوة على ذلك، تتميز المعادن القلوية بأقل ميل لتكوين قطرات متأينة أو أيونات متعددة الشحنات، مما يؤدي إلى أعلى كفاءة بالنسبة للكتلة . ويتم توليد الدفع الفعلي عن طريق إطلاق حزمة تتكون أساسًا من ذرات السيزيوم أو الروبيديوم أحادية التأين، والتي يتم إنتاجها عن طريق التبخر الحقلي عند طرف الباعث.

يُوضع قطب كهربائي مُسرِّع أمام الباعث مباشرةً. يتكون هذا القطب من صفيحة معدنية (عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ) مُشَكَّلة بشفرتين حادتين. عند الحاجة إلى قوة دفع، يُولَّد مجال كهربائي قوي بتطبيق فرق جهد عالٍ بين الباعث والمُسرِّع. في هذه الحالة، يدخل السطح الحر للمعدن السائل في حالة غير مستقرة موضعية نتيجةً للتأثيرات المُجتمعة للقوة الكهروستاتيكية والتوتر السطحي. وبذلك تتشكل سلسلة من النتوءات البارزة، أو ما يُعرف بـ"مخاريط تايلور". عندما يصل المجال الكهربائي إلى جهد في حدود 10⁹  فولت/متر ، تتأين الذرات الموجودة عند أطراف النتوءات تلقائيًا، وتنطلق في تيار أيوني بفعل المجال الكهربائي - بينما تُطرد الإلكترونات في كتلة السائل. يوفر مصدر خارجي للإلكترونات (معادل الشحنات) شحنات سالبة للحفاظ على التعادل الكهربائي الكلي لمجموعة الدفع.

 باعث شقي 
اختـٌرعت مصادر أيونات المعادن السائلة (LMIS) القائمة على التأين الحقلي أو التبخير الحقلي في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، وسرعان ما انتشرت على نطاق واسع كمصادر أيونات بسيطة ورخيصة للعديد من التطبيقات. وفي عام 1972 بدأت وكالة الفضاء الأوروبية بتطوير نظام دفع كهربائي قائم على مبدأ الانبعاث الحقلي باستخدام مصادر أيونات المعادن السائلة. كما أصبح استخدام مصادر أيونات المعادن السائلة التي تعمل بالغاليوم أو الإنديوم أو المعادن القلوية أو سبائكها شائعا في مطيافية الكتلة الأيونية الثانوية منذ سبعينيات القرن الماضي.

على الرغم من وجود تكوينات مختلفة لبواعث المجال، مثل بواعث الإبرة والبواعث الشعرية والبواعث الشقّية (من خلال شق) ، إلا أن مبدأ التشغيل واحد في جميع تلك الحالات. ففي الباعث الشقّي، على سبيل المثال، يُغذّى دافع معدني سائل بواسطة قوى الشعرية عبر قناة ضيقة. يتكون الباعث من نصفين متطابقين مصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويتم تثبيتهما معًا بواسطة مشابك أو براغي. تُرسّب طبقة من النيكل، بالرشّ، على أحد نصفي الباعث، لتحديد محيط القناة المطلوب وارتفاعها (المعروف أيضًا بارتفاع الشق، والذي يتراوح عادةً بين 1 - 2) (ميكرومتر) ) وعرض القناة (المعروف أيضًا باسم طول الشق ، فهو يتراوح بين 1 ملم حتى حوالي 7 سم). تنتهي القناة عند طرف الباعث المتكون من حواف حادة تقع مقابل قطب سالب، أو قطب تسريع، ويفصل بينهما فجوة صغيرة (حوالي 0.6 مليمتر)  من طرف الباعث. ثم يُطبَّق جهد استخلاص بين القطبين. فيحمل الباعث جهدًا موجبًا بينما يكون المُسرِّع على جهد سالب. فيؤثر المجال الكهربائي المتولد بين الباعث والمُسرِّع على الفور الآن على الوقود المعدني السائل.

لا يُمكّن عرض الشق الضيق من التغذية الشعرية فحسب، بل يضمن أيضًا - عند دمجه مع حواف القناة الحادة المقابلة للمُسرِّع مباشرةً - الحصول على شدة مجال كهربائي عالية بالقرب من مخرج الشق. فيبدأ عمود المعدن السائل عند تعرضه لهذا المجال الكهربائي في التشوه مُشكِّلًا نتوءات (مخاريط تايلور) تبرز من سطح السائل. ومع ازدياد حدة هذه النتوءات بفعل المجال الكهربائي، تزداد شدة المجال الكهربائي الموضعي بالقرب منها. وعند بلوغ شدة المجال الكهربائي الموضعي حوالي 10⁹ فولط/متر تُنتزع الإلكترونات من ذرات المعدن. تُجمع هذه الإلكترونات عبر عمود المعدن السائل بواسطة جدران القناة، وتُسرّع الأيونات الموجبة بعيدًا عن السائل عبر الفجوة الموجودة في قطب المُسرّع السالب بواسطة نفس المجال الكهربائي الذي أنشأها.

طُوِّرت باعثات الشقوق لزيادة مساحة انبعاث المحرك النفاث بهدف الحصول على مستويات دفع أعلى وتجنب السلوك غير المنتظم الذي يُلاحظ في الباعثات المفردة. وتكمن الميزة الجوهرية لباعثات الشقوق مقارنةً بالإبر المتراصة في آلية الضبط الذاتي التي تتحكم في تكوين وإعادة توزيع مواقع الانبعاث على سطح المعدن السائل وفقًا لمعايير التشغيل؛ في المقابل، في مصفوفة الإبر المتراصة، لا يمكن أن توجد مخاريط تايلور إلا على الأطراف الثابتة، مما يُهيئ ترتيبًا هندسيًا لا يتوافق إلا مع حالة تشغيل واحدة محددة.

 تصاميم أخرى 
تم تصنيع باعثات شق ذات شق بعرض متنوع؛ حاليًا، الأجهزة ذات عرض شق بين 2 ملم و 7  سنتيمتر تتوفر هذه الأجهزة بمقاسات سنتيمترات. وتغطي هذه الأجهزة نطاق دفع يتراوح بين 0.1  ميكرونيوتن إلى 2  ميلي نيوتن تعمل باستخدام السيزيوم أو الروبيديوم .

تم الإبلاغ عن تصميم وحدة دفع كهربائي بالإنبعاث الحقلي المصغرة المزودة بباعث على شكل تاج ليتناسب مع هيكل CubeSat القياسي في عام 2017.

تصميم FEEP أحادي الباعث بـقوة 0.5 ملي نيوتن متوفر تجارياً،  ويقترب تطوير نسخته المصفوفة من الاكتمال طبقا لعام 2018.

اقرأ أيضا
صاروخ البلازما المغناطيسية متغير الاندفاع النوعي
محرك دفع بلازما

 المراجع 




تصنيف:محركات
تصنيف:دفع المركبات الفضائية
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة