موتور پیشران پلاسما

بندانگشتی|یک پیشران در حین آزمایش آتش
[بندانگشتی|تصویر هنری از موتور پلاسما [موشک پلاسما مغناطیسی با تکانه ویژه متغیر|واسیمر (VASIMR)]]
بندانگشتی|طرح سه‌بعدی از یک پیشران پلاسما همجوشی پیشرانش الکترومغناطیسی

**موتور پیشرانش پلاسما** (Plasma propulsion engine) نوعی پیشرانش الکتریکی است که رانش را از یک پلاسمای شبه‌خنثی (Quasi-neutral) تولید می‌کند. 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. این موتورها در اشکال مختلفی وجود دارند (نگاه کنید به پیشرانش الکتریکی). 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.

این نوع پیشران دارای مزایای متعددی است. 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.

## تاریخچه
موتورهای پلاسما در مأموریت‌های فضایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. 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.

در سال ۲۰۱۱، ناسا با همکاری بیوسک (Busek) اولین پیشران اثر هال را بر روی ماهواره تک‌ست-۲ (TacSat-2) پرتاب کرد. این پیشران سیستم پیشرانش اصلی ماهواره بود. این شرکت در همان سال یک پیشران اثر هال دیگر را نیز پرتاب کرد. در سال ۲۰۲۰، تحقیقاتی در مورد یک جت پلاسما توسط دانشگاه ووهان منتشر 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 موشک‌سازی اد استرا (Ad Astra Rocket Company) در حال توسعه موشک پلاسما مغناطیسی با تکانه ویژه متغیر (VASIMR) است. شرکت کانادایی ناتل (Nautel) در حال تولید ژنراتورهای RF دویست کیلوواتی مورد نیاز برای یونیزه کردن پیشرانه است. برخی از آزمایش‌های قطعات و آزمایش‌های «شلیک پلاسما» در آزمایشگاهی در لیبریا، کاستاریکا انجام می‌شود. این پروژه توسط فضانورد سابق ناسا، دکتر فرانکلین چانگ دیاز هدایت 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. این یک پیشرفت قابل توجه نسبت به سوخت‌های دوگانه (Bipropellant) در موشک‌های شیمیایی متداول است که دارای تکانه ویژه حدود ۴۵۰ ثانیه هستند. 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.

برخی از پیشران‌های پلاسما، مانند مینی-هلیکون (mini-helicon)، به دلیل سادگی و کارایی خود مورد تحسین قرار می‌گیرند. 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.

چالش دیگر فرسایش پلاسما است. 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.

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. آن‌ها به دسته پیشران‌های بدون الکترود تعلق دارند. این پیشران‌ها از چندین نوع پیشرانه پشتیبانی می‌کنند که آن‌ها را برای مأموریت‌های طولانی‌تر مفید می‌سازد. آن‌ها می‌توانند از مواد ساده‌ای از جمله یک بطری نوشابه شیشه‌ای ساخته شوند.

### 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. نیروی لورنتس همچنین برای عملکرد اکثر پیشران‌های پلاسما پالسی حیاتی است.

### 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.

### واسیمر
بندانگشتی|واسیمر
واسیمر (VASIMR)، مخفف موشک پلاسما مغناطیسی با تکانه ویژه متغیر، از امواج رادیویی برای یونیزه کردن یک پیشرانه به پلاسما استفاده می‌کند. سپس یک میدان مغناطیسی پلاسما را از موتور به بیرون شتاب می‌دهد و رانش تولید می‌کند. 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.

## جستارهای وابسته
* پیشرانش فضایی الکتریکی
* بادبان مغناطیسی
* پرواز فضایی
## منابع

## پیوند به بیرون
* پیشران پلاسما مینی-هلیکون
* کنترل جدایش جریان روی ایرفویل با استفاده از جت هم‌جریان پلاسما
* دینامیک و کنترل جریان گردابی پشت یک بدنه جلویی مخروطی باریک توسط یک جفت عملگر پلاسما

رده:فناوری و کاربردهای پلاسما

رده:پیش‌رانش فضاپیما
رده:اختراع‌های روسی
رده:فناوری و کاربردهای پلاسما
رده:فناوری موتور خودرو