Elektrikle çalışan uzay aracı itki sistemi

Elektrikle çalışan uzay aracı itki sistemi, uzay aracının hızını elektrik enerjisi kullanarak değiştirir. Bu Uzay aracı itki sistemi türündeki pek çok sistem, yakıtı (Tepki kütlesi-Reaction_mass) elektrik kullanarak yüksek hızlarda araçtan atmak suretiyle çalışır, ancak örneğin elektrodinamik kablolar (İng: electrodynamic tether) ise doğrudan gezegenin Manyetik alanıyla etkileşerek çalışırlar.
Elektriksel iticiler genellikle kimyasal roketlere göre daha az yakıt kullanırlar çünkü daha yüksek gaz/madde çıkış hızına sahiptirler (daha yüksek bir Özgül itici kuvvet ile çalışırlar). Sınırlı elektrik gücü sebebiyle itki miktarı kimyasal roketlere oranla daha zayıftır, ancak elektrik itki sistemi bu küçük itkiyi uzun bir süre sağlayabilir. Elektriksel itki sistemi uzun sürelerde yüksek hızlara erişebilirler ve bu yüzden derin uzay görevlerinde kimyasal roketlere göre daha iyi çalışabilirler.
Elektriksel itki sistemleri günümüzde artık olgunlaşmış ve uzay araçlarında yaygın bir biçimde kullanılmaya başlanmıştır. Rus yapımı uydularında elektriksel itki sistemleri yıllardır kullanılmaktadır. 2013 yılı itibarıyla, güneş sisteminde görev yapan 200'den fazla uzay aracı, yörünge sabitleme (ing:Orbital station-keeping), yörünge yükseltme veya ana itki yöntemi olarak elektriksel itki sistemleri kullanmaktadırlar. Gelecekte, en çok gelişmiş eletriksel iticiler, 100 km/s değerin bir Delta-v üretebileceklerdir, bu da uzay araçlarının (enerji kaynağı olarak Nükleer enerji kullanmak suretiyle) Güneş Sistemi'ndeki dış gezegenlere ulaşmasına olanak sağlayabilecektir, ancak yıldızlar arası yolculuk için yeterli olmayacaktır. Ayrıca, (lazer yoluyla güneş panelleri üzerine iletilebilecek şekilde) bir dış güç kaynağına sahip bir elektro-roketin, kuramsal olarak yıldızlararası uçuş olasılığı bulunmaktadır. Ancak elektrisel itki sistemi, yeteri kadar kuvvetli bir itkiyi üretemediği için, Dünya'nın yüzeyinden gerçekleştirilen fırlatmalar için uygun değildir.
Tarihçe
Uzay araçlarında elektrikli itki sistemi kullanılması fikri 1911 yılında, Konstantin Tsiolkovski isimli bilim adamının yayımladığı bir makaleye dayanır. Daha öncesinde ise, Robert Goddard kişisel not defterinde böyle bir olasılıktan bahsetmiştir.
Dünyada elektrikli itki sistemi ilk olarak 1929-1931 yılları arasında Leningrad şehrinde tasarlanmış ve test edilmiştir. 1950 tarihinde, S. P. Korolev, I. V. Kurchatov ve L. A. Artsimovich öncülüğünde, çeşitli elektrikli roket motoru türleri üzerine araştırma ve geliştirme programı benimsenmişti.
Kaynak olarak nükleer reaktörü kullanan bir "elektrikle çalışan itki sistemi" kavramı 1973 yılında Dr. Tony Martin tarafından yıldızlar arası seyahat amaçlı Daedalus Projesi için düşünülmüştü; ancak yeni ve özgün yöntem çok düşük itkisi olduğu için reddedilmiştir. Düşük itkinin sebebi ise nükleer enerjiyi elektriğe çevirmek için gereken aletlerin ağır olması ve dolayısıyla elde edilen ivmenin çok küçük kalmasıydı. Bu da istenilen hıza çıkmak için gereken sürenin yaklaşık yüzyıla civarı olmasına yol açıyordu.
Elektrik itki sisteminin ispatı, SERT-1 (İng:Space Electric Rocket Test) uzay aracında taşınan iyon motoru (İng: ion engine) kullanılarak yapılmıştır, uzay aracı 20 Temmuz 1964 tarihinde fırlatılmış ve iyon motoru 31 dakika boyunca çalışmıştır. Bunun devamı olan görev ise 3 Şubat 1970 yılında yapılmış ve SERT-2 uzay aracı yörüngeye iki adet iyon motoru taşımıştır. Bunlardan birisi beş aydan fazla süre çalışmış diğeri ise neredeyse üç ay çalışmıştır
2010'lara gelindiğinde, artık pek çok uydu üreticisi uydularında elektrik itki sistemi seçenekleri sunmaya başlamışlardı. Bu tür itki sistemleri genellikle uydunun yörüngede olduğu süre boyunca yönelim denetimi (İng: attitude control) amacıyla kullanılırken; bazı ticari iletişim uydusu işleticileri bu tür motorları, uyduları yer eşzamanlı yörüngeye yerleştirme amacıyla, geleneksel kimyasal roket motorlarının (İng: AKM) yerine kullanmaya başlamışlardır
Türleri
İyon ve plazma sürücüleri
(İng: Ion thruster)
Bu türdeki bir roket-benzeri tepki motoru (ing: reaction engine) araçla birlikte taşınan yakıttan itki elde edebilmek için elektrik enerjisi kullanır. Roket motorlarının aksine, bu türden motorların roket motoru çıkışına (İng: rocket nozzle) sahip olmaları gerekmemektedir ve dolayısıyla pek bu şekildeki pek çok motor türü gerçek roket motoru olarak görülmezler.
Uzay araçlarındaki elektrik itki sistemlerinde kullanılan iticiler plazmanın iyonlarını hızlandırmakta kullandıkları kuvvetin çeşidine göre üç türe ayrılır:
Elektrostatik
Eğer ivmelenme Coulomb kuvveti (örneğin ivmelenmenin yönünde statik elektrik alanının uygulanması) yardımıyla gerçekleşiyorsa, aygıt elektrostatik olarak kabul edilir.
NASA Solar Teknoloji Uygulama Atikliği (İng: NSTAR)
Elektrostatik iyon iticisi (İng: Electrostatic ion thruster)
Koloit iticisi (İng: Colloid thruster)
Temaslı iyon iticisi (İng: Contact ion thruster)
Alan-yayımlı elektrik iticisi (İng: Field-emission electric propulsion)
Mikrodalga iyion iticisi (İng: Microwave ion thruster)
Plazma ayırıcı iyon iticisi (İng: Plasma separator ion thruster)
Radyoizotoplu iyon iticisi (İng: Radioisotopic ion thruster)
Nano-parçacık alan çıkarımı iticisi (İng: Nano-particle field extraction thruster)
Hall etkisi iticisi (İng: Hall effect thruster)
SPT Sabit Plazma İticisi (İng: Stationary Plasma Thruster)
TAL Anot katmanlı itici (İng:Thruster with Anode Layer)
Elektrotermal
Elektrotermal ulamı (kategorisi) aygıtları, elektromanyetik alanların yakıtın büyük kısmını ısıtmak amacıyla, plazma üretiminde kullanılmasına göre gruplar. Yakıt olarak kullanılan gaza aktarılan termal enerji sonrasında gaz/tepki kütlesi çıkışı işlevi gören ve katı malzemeden yapılmış ya da manyetik alanlardan oluşan bir nozul (ing: nozzle) tarafından kinetik enerjiye dönüştürülür. Molekül ağırlıkları düşük olan hidrojen, helyum veya amonyak gibi gazlar bu tür sistemlerde yakıt olarak tercih edilmektedir.
Elektrotermal motor, gazın ısısını gazın moleküllerinin çizgisel hareketine dönüştürmek için bir püskürtme çıkışı (nozul, İng:nozzle) kullanıdığı için, ısıyı üreten enerji dış bir kaynaktan gelmesine rağmen, gerçek bir roket olarak kabul edilir.
Özgül itici kuvvet (Isp) bağlamında, elektrotermal sistemlerin verimi biraz mütevazıdir (500 - ~1000 saniye), ancak bu değer, soğuk gazlı iticilerin (İng: cold gas thruster), Tek-yakıtlı roketlerin (İng: monopropellant rocket) ve hatta çift-yakıtlı roketlerin çoğunun veriminlerini aşmaktadır. SSCB'de, elektrotermal motorlar 1971 yılından beridir kullanılmaktadaydı; Sovyet yapımı "Meteor-3" (İng: Meteor-3), "Meteor-Priroda", "Resurs-O" uydu aileleri ve Rus yapımı "Elektro" uydusu elektrotermal motorlarla donatılmışlardır. Aerojet (İng: Aerojet) tarafından geliştirilmiş olan elektrotermal sistemler (MR-510); Lockheed Martin yapımı olan, hidrazin yakıtlı A2100 uydularda kullanılmaktadır.
Arkjet roketi (İng: Arcjet)
Mikrodalga arkjet
Resistojet (İng: Resistojet)
Elektromanyetik
(İng: Plasma propulsion engine)
Eğer iyonlar, Lorentz kuvveti ya da elektrik alanının ivmelenmeden farklı yönde olduğu elektromanyetik alanların etkisiyle, araç elektromanyetik olarak kabul edilir.
Elektrotsuz plazma iticisi (İng: Electrodeless plasma thruster)
Manyetoplazmadinamik itici (İng: MPD)
Atımlı elektrikleyici itici (İng: Pulsed inductive thruster)
Atımlı plazma iticisi (İng: Pulsed plasma thruster)
Helikon çift-katmanlı iticisi (İng: Helicon Double Layer Thruster)
VASIMR (İng: VASIMR)
İyon kullanmayan sürücüler
Fotonik
Fotonik sürücü (motor), tepki itkisi için madde fırlatmaz, sadece fotonları fırlatır. Bkz: Lazer itki sistemi (İng:Laser propulsion), Fotonik Lazer iticisi (İng:Photonic Laser Thruster), Foton roketi (İng: Photon rocket).
Elektrodinamik kablo
(İng: electrodynamic tether)
Elektrodinamik kablolar, Kablo uydu (İng: tether satellite) örneğinde olduğu üzere, uzun iletken tellerden oluşmaktadır. Elektromanyetik yasaları çerçevesinde, kinetik enerjilerini elektrik enerjisine dönüştürerek üreteç olarak, ya da kinteik enerjilerini kinetik enerjiye elektrik motoru olarak kullanılırlar. İletken bir kablo üzerinde, kablonun Dünya'nın manyetik alanındaki hareketinden dolayı elektrik potansiyeli oluşur. Elektrodinamik kabloda kullanılacak olan metal iletkenin seçiminde çeşitli faktörler rol oynar. Ana faktörler genellikle yüksek oranda iletkenliliği ve düşük yoğunluğu içerir. İkincil faktörler, uygulamaya göre değişmekle birlikte, maliyet, kuvvet/dayanıklılık ve erime noktasını içerir.
Alışılmışın dışında yöntemler
Teorikte kalmış bu aletlerin asıl hareket ilkeleri, şu anda fizik yasalarının anlaşıldığı haliyle yeterince açıklanamamaktadır,
Quantum vakum plazma iticisi (İng: Quantum Vacuum Plasma Thruster)
EmDrive (İng: EmDrive)
Düzenli - düzensiz
Elektrikli itki sistemleri düzenli (İng:"Steady", belirlenmiş bir süre boyunca aralıksız ateşleme sağlayabilen) ya da düzensiz (İng:"unsteady", aralıklı/atımlı ateşlemelerle toplamda hedeflenen bir itme değerine erişebilen) olarak ikiye ayrılabilirler. Ancak bu sınıflandırmalar elektrikli itki sistemlerine özgü olmamakla birlikte tüm itki sistemlerine uygulanabilir.
Devingen özellikler
Energy use
Elektrikle çalışan roket motorları, kimyasal roket motorlarına göre, birkaç 10 kat (orders of magnitude) daha az itki sağlamaktadır, bunun sebebi uzayaracında sağlanan kısıtlı elektrik gücüdür. Kimyasal bir roket yanma sonucu oluşan ürünlere doğrudan enerji aktarır, diğer taraftan elektriksel bir sistem birkaç adım gerektirmektedir. Ancak, yüksek hız ve aynı itme/itki miktarı için harcanan daha az tepki kütlesi (İng: reaction mass) miktarı, elektrikli roketlerin uzun bir süre çalışabilmesine olanak verir. Bu kimyasal yöntemlerle güç verilen uzay araçlarında farklılık göstermektedir. Bu durumda motorlar kısa zaman aralıklarında çalışırken uzay aracı genellikle süredurum doğrultusunu (İng: inertial trajectory) takip eder. Bir gezegenin yakınındayken, düşük-itkili sistemler gezegenin yerçekimsel etkisini dengeleyemeyebilirler. Elektrikle çalışan bir roket motoru, aracın gezegenin yüzeyinden fırlatılmasına yetecek kadar itki üretemezler, ancak uzun bir süre boyunca uygulanmış olan itki sayesinde uzayaracı bir gezegenin yakınında manevra yapabilir.