موتور پلاسما برای فضاپیما

مقدمه
پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوریهای بکار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.

موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

پیشران چیست؟
اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز پیشران است. پیشران ماده‌ای است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.

گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.
یون چیست و اتمها چگونه باردار می‌شوند؟
یون یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار یون آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست. یک اتم می‌تواند بسته به اینکه تعداد الکترونها بیشتر یا کمتر از تعداد پروتونها باشد، بار منفی یا مثبت بدست آورد. وقتی که یک اتم توسط اتمی دیگر جذب شود، چون تعداد الکترونها و پروتونهای آن برابر نیست، به آن "یون" گفته می‌شود. اگر اتم الکترونهای بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد، یون منفی یا آنیون خوانده می‌شود.

یک اتم باردار الکترون اضافی یا کمبود الکترون دارد. در سامانه دی اس 1 اتمها تا زمانی که بسیتر پر انرژی و ناپایدار شوند، گرما می‌بینند. سپس با الکترونهایی که توسط یک اشعه کاتدی در محفظه پیشران تخلیه شده‌اند برخورد می‌کنند. وقتی که الکترونها در محفظه پیشران با اتمها برخورد می‌کنند باعث می‌شوند که تعدادی از الکترونهای موجود در اتم از آن جدا شوند. این توده بسیار گرم و باردار اتم همراه با الکترونهای مجزا تبدیل به پلاسما می‌شود.

پلاسما چیست؟
پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شوند. سه نوع دیگر جامد ، مایع و گاز هستند. پلاسما ابری از پروتون ، نوترون و الکترون است که در آن الکترونها از مولکولها و اتمهای خودشان جدا شده‌اند و به پلاسما این امکان را می‌دهند که بیشتر مانند هر سه آنها (پروتون ، نوترون و الکترون) رفتار کند تا مثل توده‌ای از اتمها ، پلاسما بیشتر شبیه گاز است؛ زیرا اتمها با یکدیگر رابطه مشخصی ندارند، اما متفاوت از یک گاز رفتار می‌کند. به گفته دانشمندان پلاسما دارای رفتار جداگانه است. یعنی می‌تواند مانند یک مایع جاری شود و یا اینکه می‌تواند ناحیه‌ای را اشغال کند که در آن اتمها مانند آجرهایی به یکدیگر چسبیده‌اند.
یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟
یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار مواق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شیء با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شیء با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شیء بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.
پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی
پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، بر خلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی اینکه هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پروار تولید شود.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم
هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده ای پیشران که از عقب سفینه خارج می شود به وجود می آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می کمنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و به دست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده ی اکسید کننده کار می کنند. این کار باعث می شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند.

موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند. با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند.

این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می‌کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.

ضربه ویژه
ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چه قدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند. ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد.

موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.
عاقبت یونها پس از ترک فضاپیما
شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتویی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که در یچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند.

موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.
پیشرانه یون زنون
یک موتور از همان اصل مرسوم کنش و واکنش استفاده می‌کند، اما نوآوری بزرگی که صورت گرفته ، بازده بالای آن است. گاز زنون که از هلیوم یا نئون سنگینتر است، به داخل موتور یونی جریان پیدا می‌کند و در آن جا باردار می‌شود و اتمهایش تبدیل به یون می‌گردند. به محض انجام این عمل ، یونهای زنون در معرض یک ولتاژ الکتریکی قرار می‌گیرند. با برقدار شدن یک جفت میله در حدود 1300 ولت که در داخل موتور تعبیه شده‌اند، یونها به بیرون پرتاب شدند، نیرویی در جهت عکس حرکت خود به موتور وارد می‌کنند و باعث راندن آن به جلو می‌شوند.

یونهای زنون با سرعت 35 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این سرعت 10 برابر سرعت گازهای خروجی از موتور موشکهای مرسوم است، بنابراین موتورهای یونی می‌توانند تا 10 برابر بیشتر فشار تولید کنند. بکار گیری موتورهای یونی به دلیل نیاز کمتر به سوخت ، راهی برای انجام مأموریتهای مهیج و بلند پروازانه در پهنه بی‌کران منظومه شمسی و فضا به حساب می‌آید. موتورهای یونی در هر لحظه مقدار بسیار کمی گاز زنون مصرف می‌کنند. به آن معنی که نیروی پرتاب بسیار کمی تولید می‌شود.

اگر یک ورق کاغذ بر روی دستتان قرار دهید، همان فشاری را حس خواهید کرد که موتور یونی آن فشار را برای راندن یک فضاپیما تولید می‌کند. تقریبا چهار روز یا بیشتر طول می‌کشد تا تنها یک کیلوگرم زنون به مصرف برسد. دی اس 1 با مصرف کمتر از 74 کیلوگرم زنون سرعتی در حدود ¾ کیلومتر بر ثانیه پیدا می‌کند. این مقدار در میان سایر موشکها یک رکورد محسوب می‌شود. دی اس 1 می‌تواند سرعت بیشتر از این هم بدست آورد؛ ولی مأموریت آن این نیست که تندتر و تندتر برود. بنابراین از بیشینه سرعت خود استفاده نمی‌کند. کارکرد آن 678 روز است؛ یعنی بسیار طولانی‌تر از هر سامانه موشکی دیگر. پروژه داون در هر دوی این موارد یعنی سرعت و ماندگاری می‌تواند از دیگر سامانه‌ها پیشی بگیرد. در آینده سرعت و ماندگاری موتورهای یونی بیشتر هم خواهد شد.