دافع الأيونات الشبكي

يُعدّ دافع الأيونات الشبكي تصميمًا شائعًا لدافعات الأيونات وهو أسلوب دفع فعال للغاية ومنخفض الدفع للمركبات الفضائية يعمل بالطاقة الكهربائية باستخدام أقطاب شبكية عالية الجهد لتسريع الأيونات بقوى كهروستاتيكية.

 التاريخ 
تم عرض محرك الأيونات لأول مرة من قبل العالم الألماني  في وكالة ناسا إرنست ستوهلينجر  وتم تطويره بشكل عملي من قبل هارولد ر. كوفمان في مركز أبحاث ناسا لويس (الآن يسمى مركز جلين للبحوث) من عام 1957 إلى أوائل الستينيات.

ثبت استخدام أنظمة الدفع الأيوني لأول مرة في الفضاء من خلال اختبارات الصواريخ الكهربائية الفضائية التابعة لوكالة ناسا (SERT) الأولى والثانية.  استخدمت هذه المحركات الزئبق كمادة تفاعل (وقود). وكان الاختبار الأول هو SERT-1 الذي أُطلق في 20 يوليو 1964، والذي أثبت بنجاح أن هذه التقنية تعمل كما هو متوقع في الفضاء. أما الاختبار الثاني بمحرك  SERT-II - الذي أُطلق في 3 فبراير 1970 -Ernst Stuhlinger, Ion Propulsion for Space Flight (McGraw-Hill, New York, 1964).SERT  page at Astronautix (Accessed July 1, 2010) فقد تحقق من تشغيل محركين أيونيين يعملان بالزئبق لآلاف الساعات من التشغيل. وعلى الرغم من تحقق ذلك في الستينيات والسبعينيات، إلا أنه نادرًا ما استُخدمت هذه الأنظمة قبل أواخر التسعينيات.

واصل مركز غلين التابع لناسا تطوير محركات الدفع الأيوني الشبكية الكهروستاتيكية خلال ثمانينيات القرن الماضي، حيث طور محرك ناسا لتطبيقات تكنولوجيا الطاقة الشمسية (NSTAR)، الذي استُخدم بنجاح في مسبار ديب سبيس 1 وهي أول مهمة تحلق في مسار بين الكواكب باستخدام الدفع الكهربائي كجهاز دفع أساسي. ثم استُخدم لاحقًا في مهمة داون لاستكشاف الكويكبات.

تعمل وكالة ناسا حاليًا   على محرك دفع أيوني كهرساكن (بالكهرباء الساكنة)  بقوة 20-50 كيلوواط يسمى HiPEP والذي سيكون له كفاءة أعلى  واندفاع نوعي وعمر أطول من NSTAR.

في عام 2006  أكملت شركة Aerojet اختبار نموذج أولي لمحرك الدفع الأيوني NEXT .Aerojet Successfully Completes Manufacturing and System Integration Milestones for NASA's NEXT Ion Engine Development Program 

بدأ تطوير محركات الدفع الأيوني بترددات الراديو في سبعينيات القرن الماضي في جامعة جيسن  بألمانيا ومجموعة أريانا  الفرنسية . وتُستخدم محركات RIT-10 في مهمتي يوريكا وأرتميس . طوّرت شركة كينيتيك (المملكة المتحدة) محركي T5 وT6 (من نوع كوفمان)، اللذين استُخدما في مهمة جوسي (T5) ومهمة بيبى كولومبو (T6). أما من اليابان، فقد استُخدم محرك μ10، الذي يعمل بالموجات الميكروويف في مهمة هايابوسا .[ مطلوب مصدر ]

وفي عام 2021  تم إطلاق مركبة DART وهي تحمل محرك دفع أيوني زينون من طراز NEXT-C .

في عام 2021  أبلغت شركة ThrustMe عن تغييرات في مدارات الأقمار الصناعية باستخدام محركها النفاث الأيوني NPT30-I2 الذي يعمل باليود.

 طريقة التشغيل 
يتم حقن ذرات الوقود الدافعة في حجرة التفريغ ويتم تأينها، مما يؤدي إلى تكوين البلازما.

وتوجد عدة طرق لإنتاج الأيونات الكهروستاتيكية لغرفة التفريغ:

 قصف الإلكترونات (من نوع كوفمان) بواسطة فرق الجهد بين الكاثود المجوف والأنود (تستخدم في محركات الدفع NSTAR و NEXT و T5 و T6)
 تذبذب الترددات الراديوية  للمجال الكهربائي الناتج عن مغناطيس كهربائي متناوب، مما يؤدي إلى تأين ذاتي الاستدامة ويؤدي للاستغناء عن الكاثود (محركات الدفع RIT 10، RIT 22، μN-RIT)
 التسخين بالميكروويف (μ10، μ20)

بالنسبة إلى طريقة إنتاج الأيونات الكهروستاتيكية فهي تحتاج  إلى مهبط و مصدر طاقة. تتطلب محركات الدفع بقصف الإلكترونات على الأقل  مصادر طاقة للمهبط والمصعد وحجرة التفاعل. أما الأنواع التي تعمل بترددات الراديو والميكروويف، فتتطلب مصدر طاقة إضافي لمولد ترددات الراديو، ولكن لا تتطلب مصادر طاقة للمصعد أو المهبط.

تنتشر الأيونات الموجبة الشحنة باتجاه نظام استخلاص الجسيمات في حجرة التفاعل (شبكتان أو أكثر متعددة الفتحات). بعد دخول الأيونات غلاف البلازما عبر فتحة في الشبكة، تتسارع بفعل فرق الجهد بين الشبكتين الأولى والثانية (المعروفتين بشبكتي الحماية والتسريع، على التوالي). ويتم توجيه الأيونات عبر فتحات الفصل بواسطة المجال الكهربائي القوي. وتُحدد طاقة الأيونات النهائية بجهد البلازما، والذي يكون عادةً أعلى بقليل من جهد شبكتي الحماية.

يمنع الجهد السالب لشبكة المُسرِّع الإلكترونات من العودة إلى حزمة البلازما خارج المُحرِّك . قد يفشل هذا النظام بسبب عدم كفاية الجهد السالب في الشبكة، وهو ما يُعدّ نهاية معروفة بالنسبة  لعمر مُحرِّكات الأيونات . تدفع الأيونات المسرّعة  المركبة الفضائية في الاتجاه المُعاكس، وفقًا لقانون نيوتن الثالث . كما  تُنبعث إلكترونات ذات طاقة أقل من مهبط منفصل، يُسمى المُعادِل، إلى حزمة الأيونات لضمان انبعاث كميات مُتساوية من الشحنات الموجبة والسالبة لمعادلة "الغاز" المسرّع. يُعدّ  التحييد الكهربائي ضروريًا لمنع تراكم شحنات سالبة على المركبة الفضائية - الأمر الذي من شأنه أن يجذب الأيونات  نحو المركبة فيُلغي قوة الدفع.

 الأداء 

 طول العمر 
تتعرض البصريات الأيونية باستمرار لقصف بكمية ضئيلة من الأيونات الثانوية، مما يؤدي إلى تآكلها وتلفها، وبالتالي تقليل كفاءة المحرك وعمره الافتراضي. وقد استُخدمت عدة تقنيات للحد من التآكل، أبرزها التحول إلى نوع مختلف من الوقود. استُخدمت ذرات الزئبق أو السيزيوم كوقود خلال الاختبارات التي أُجريت في الستينيات والسبعينيات، إلا أن هذه المواد التصقت بالشبكات وأدت إلى تآكلها. في المقابل، تُعد ذرات الزينون أقل تآكلًا بكثير، وأصبحت الوقود المفضل لجميع أنواع محركات الدفع الأيونية تقريبًا. وقد أثبتت وكالة ناسا التشغيل المتواصل لمحرك الدفع NSTAR لأكثر من 16000 ساعة (1.8 سنة)، ومحرك الدفع NEXT لأكثر من 48000 ساعة (5.5 سنة).

في أنظمة شبكات الاستخراج، توجد اختلافات طفيفة في هندسة الشبكة والمواد المستخدمة. وقد يكون لهذا الأمر آثار على العمر التشغيلي لنظام الشبكة.

 الدفعة النوعية 
كما حققت محركات الدفع الأيونية الكهروستاتيكية دفعًا نوعيًا يتراوح بين 30 و100  كيلو نيوتن.ثانية/كيلوجرام، أو مدة دفع تبلغ  3000 إلى 10000 ثانية،  فهي أفضل من معظم أنواع محركات الدفع الأيوني الأخرى. وقد قامت محركات الدفع الأيوني الكهروستاتيكية بتسريع الأيونات إلى سرعات تصل إلى 100 كيلومتر في الثانية .

 فوائد الشبكات الأربع 
في يناير 2006، أعلنت وكالة الفضاء الأوروبية بالتعاون مع الجامعة الوطنية الأسترالية عن نجاح اختبار محرك أيوني كهروستاتيكي مُحسَّن، وهو المحرك ثنائي المراحل رباعي الشبكات (DS4G)، والذي أظهر سرعات للأيونات المعجلة  بلغت 210 كم/ث أي أعلى بأربع مرات من السرعات السابقة، مما يسمح "بدفع نوعي" أعلى أربع مرات. تحتوي محركات الدفع الأيوني الكهروستاتيكية  التقليدية على شبكتين فقط، إحداهما عالية الجهد والأخرى منخفضة الجهد، وتؤديان وظيفتي استخراج الأيونات وتسريعها. إلا أنه عندما يصل فرق الشحنة بين هاتين الشبكتين إلى حوالي 5 كيلو فولت، تصطدم بعض الجسيمات المستخرجة من الحجرة بشبكة الجهد المنخفض، مما يؤدي إلى تآكلها وتقصير عمر المحرك. يمكن  تجاوز ذلك  بنجاح باستخدام زوجين من الشبكات. يعمل الزوج الأول بجهد عالٍ، بفارق جهد يبلغ حوالي 3 كيلو فولت بينهما؛ وهذا الزوج مسؤول عن استخراج جسيمات الوقود المشحونة من حجرة الغاز. ويوفر الزوج الثاني - الذي يعمل بجهد منخفض - المجال الكهربائي اللازم لتسريع الجسيمات نحو الخارج، مما يُولّد قوة الدفع. تشمل المزايا الأخرى للمحرك الجديد تصميمًا أكثر إحكامًا، مما يسمح بتوسيع نطاقه لإنتاج قوى دفع أعلى، وشعاع  عادم أضيق وأقل تباعدًا بزاوية 3 درجات، وهو ما يُقال عنه أنه  أضيق بخمس مرات من السابق. هذا يقلل من كمية الوقود اللازمة لتصحيح اتجاه المركبة الفضائية .

 انظر أيضاً 

 دفع المركبات الفضائية بالطاقة الكهربائية
 دافع تأثير هول
 يحتوي محرك الدفع الأيوني على جدول مقارنة مع محركات الدفع عالية الطاقة (HET) وما إلى ذلك
 شبكة رباعية مزدوجة المراحل

 للمزيد من القراءة 

  Covers design detail that affect performance

 المراجع 

 روابط خارجية 

 أيروجيت (ريدموند، واشنطن، الولايات المتحدة الأمريكية) - مورد محركات الدفع الأيوني الشبكية
 محرك أيوني NSTAR
 تقنيات لتحسين نظام الدفع الأيوني (ملف PDF)
 أنظمة الدفع الكهربائي (ملف PDF)
 هيبب
 وكالة الفضاء الأوروبية والجامعة الوطنية الأسترالية تحققان طفرة في مجال دفع المركبات الفضائية

تصنيف:آلات أيونية
تصنيف:تقنية البلازما
تصنيف:محركات كهربائية
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة