Stele verzi – Propulsii electrice (V)

Dupa o introducere, descrierea propulsoarelor electrotermice si o scurta oprire la VASIMIR, am continuat cu propulsoarele electromagnetice. Partea a doua a articolului despre propulsoare electromagmnetice o puteti citi in continuare.

Propulsoarele cu câmp aplicat extern sunt varianta pentru puteri reduse a propulsoarelor staționare. Am menționat mai sus că efectul Lorentz necesită un câmp magnetic. AF-MPD-urile folosesc un câmp magnetic generat extern pentru a face asta. Acest câmp magnetic poate fi un inel de magneți permanenți în jurul propulsorului (pentru variantele cu puteri foarte mici, unde nu vrei să consumi energie în plus pentru a genera acel câmp magnetic) sau o serie de bobine electromagnetic (în cazul în care masa e o problemă și energia e suficientă).

În general, ele tind să aibă puteri între 50 și 500 kWe, ceea ce e… destul de mult. Și e motivul pentru care foarte puține prototipuri au zburat in spațiu. Aceeași problema ca și cu VASIMR. Lideri în domeniul cercetării AF-MPD-urilor sunt Universitatea din Tokyo, Institutul de Cercetări Aviatice din Moscova (MAI), Centrul Aeronautic German (propulsoarele X9 și X16) și Institutul Sistemelor Spațiale din Stuttgart (propulsorul SX3).

Un tabel prezentând principalele caracteristici ale propulsoarelor AF-MPD de top

Propulsorul SX3 al Institutului Sistemelor Spațiale din Stuttgart in teste (sus; observați cum jetul urmează forma liniilor câmpului magnetic) și pe stand (jos; învelișul din jurul propulsorului maschează și protejează bobina electromagnetică). Eficiență de 62%, viteză de evacuare de 47 km/sec, forță propulsivă de 2.75N

AF-MPD-urile sunt cel mai cercetat și dezvoltat tip de propulsor Lorentz staționar, dar bobinele magnetice sunt o problema. Practic, indiferent că folosești un inel de magneți permanenți sau bobine, aranjamentul ajunge să fie greu. Spre exemplu, propulsorul SX3 cântărește 13 kg, dar electromagnetul cântărește 285kg. E adevărat că pe un stand experimental nu ești obligat să folosești hardware care sa aibă o limitare de masă (cum ar fi obligatoriu pe un vehicul spațial) însă chiar și așa, propulsoarele de acest tip au un raport tracțiune greutate relativ mic. În prezent, se investighează o posibilă modalitate de a reduce greutatea electromagneților folosind bobine realizate din banda REBCO, un superconductor care e nou ieșit pe piață. Astfel de sisteme ar permite realizarea unor electromagneți foarte puternici la masă relativ mică. Dar chiar și atunci, ai problema menținerii lor la temperaturile scăzute care sunt necesare pentru funcționarea super conductorului. Iar asta înseamnă sistem de răcire și radiatoarele aferente, așadar e dificil de spus dacă diferența față de un sistem mai convențional e așa mare. Rămâne de văzut.

Dar dacă am putea face o scamatorie și obține beneficiile unui MPD fără să fim nevoiți să generăm un câmp magnetic extern? E posibil? Da, este! și conceptul se numește propulsor magnetohidrodinamic staționar cu câmp magnetic indus sau SF-MPD.

Care e trucul? Simplu: plasma conduce curent electric, și tinde sa își producă, prin rotație în acest câmp electric, propriul sau câmp magnetic. Este un efect care apare și la AF-MPD-uri, dar la asemenea puteri mici, efectul e neglijabil. Dacă, însă, energizezi suficient plasma, poți produce un câmp magnetic auto-indus suficient de puternic cât să iți permită să renunți la bobine externe.

Iți trebuie energie pentru asta. Multă!!! SF-MPD-urile sunt dispozitive cu puteri electrice de ordinul megawaților. Cum nimeni nu se grăbește să lanseze vehicule spațiale cu reactoare la bord, ele rămân, deocamdată, dispozitive teoretice (chiar și în laboratoare; sună straniu, dar nu multe laboratoare își permit facilitățile de testare sau facturile la curent necesare pentru a cerceta așa ceva).

Diferența dintre un SF-MPD și un AF-MPD (sus). Principiul funcțional al unui SF-MPD (mijloc si jos)

Ca și masă de reacție, MPD-urile staționare folosesc cam toate aceleași substanțe: gaze nobile (Kr, Ar, Xe, Ne), metale ușoare (Li) sau metale speciale (mercur, cesiu). Asta fiindcă aceste substanțe se ionizează ușor, cu aport de energie pentru ionizare scăzut. Gazele nobile sunt preferate pentru că, deși scumpe (mai puțin argonul) sunt non-reactive la temperaturi mari. Și asta e important pentru că MPD-urile au o mare hibă care le-a limitat utilitatea până recent: eroziunea.

Arcul electric generat este suficient de intens cât să producă descărcări electrice neplăcute, care erodează catodul. Pe lângă asta, natura flexibilă a câmpului magnetic face ca plasma să intre în contact cu diversele componente interne. Fiecare moleculă de plasmă are viteza de câteva zeci de kilometrii pe secundă, așadar, chiar dacă contactul e sporadic, tot se produce o limitare substanțială a duratei de viată a motorului. Plus pierderi de energie prin contact. Din fericire, se pare că o soluție la aceasta problema a fost descoperită, sub forma benzilor de REBCO menționate mai devreme. Mai exact, un superconductor realizat din astfel de benzi produce un câmp magnetic mult mai „țeapăn” decât un electromagnet cu bobină de cupru. Ca atare, folosind un asemenea sistem pentru ajutaj și injectoare, contactul plasmei cu pereții înconjurători e mult limitat. Pe lângă asta, felurite tipuri de învelișuri de protecție aplicate cu plasmă sau microstructuri gravate cu lasere pe suprafețele interne ajuta la limitarea pagubelor provocate de descărcări accidentale. Toate aceste tehnologii (multe dezvoltate, de fapt, pentru propulsoarele cu efect Hall, care suferă de probleme similare, și pe care urmează să le discutăm) ar duce la o extindere substanțială a vieții utile a unui astfel de propulsor.

Eroziunea suferită de un catod după teste. Stânga: folosind bobine convenționale din cupru. Dreapta: folosind bobine cu superconductori

Cu viteze de evacuare experimentale cuprinse între 15 și 60 de km/sec, forțe propulsive între 2.5 și 25 de Newtoni, și viteze de evacuare teoretice de ordinul a 100 km/sec, propulsoarele MPD au cam furat vântul din vele VASIMR-ului, fiind mult mai ieftine de realizat și cu performanțe superioare. Din păcate, fără o sursa de alimentare pe măsura, ele rămân, momentan, la stadiul de dorință arzătoare.

Propulsor rusesc cu superconductori. Sus: in teste (se poate observa colimarea și caracterul laminar, neted, al plasmei, datorată puterii câmpului magnetic rigid). Jos: catodul după 2500 secunde de testare, pe parcursul a 50 de teste

Pulsed Inductive Thruster / propulsor inductiv pulsat: un tip de propulsor deseori confundat cu propulsorul pulsat cu plasmă, propulsorul inductiv pulsat (abreviat PIT) este un tip de propulsor cu forță Lorentz gândit pentru a ocoli limitările MPD-urilor staționare, în special durata de viață redusă. Acest propulsor înlocuiește arcul electric cu o placă inductivă, ca o farfurie întinsă și care ascunde o bobina inductivă.

Pentru că această placă e întinsă, propulsorul are o arhitectura internă diferită, cu un catod central și un injector în formă de ciupercă situat deasupra acestui catod. Acest injector eliberează un nor de masă de reacție către placa inductivă. Simultan, un grup de condensatoare trimit un puls de energie electrică către bobina de inducție din placă. Bobina induce un curent electric circular in norul de masa de reacție, in sens invers pulsului de curent original. Pentru ca direcția curentului este perpendiculara pe un camp magnetic generat extern, efectul Lorentz se face simțit și gazul este accelerat.

Pentru că propulsorul este pulsat, creșterea puterii înseamnă mai multe pulsuri (cicluri de încărcare-descărcare a condensatoarelor) și deci forță propulsivă mai mare. Viteza de evacuare teoretică este între 10 km/sec și 100 km/sec.

Schema funcțională a unui PIT

Reprezentativ pentru aceasta clasă de propulsoare este propulsorul NuPIT, abreviere de la Nuclear Pulsed Inductiv Thruster, un propulsor construit și testat de NASA în cadrul programului ”Prometheus”.

NuPIT și datele sale experimentale

NuPIT a fost testat cu amoniac, apă și dioxid de carbon ca și masa de reacție, atingând viteze de evacuare cuprinse între 30 și 100 km/sec. A fost de asemenea testat la diferite niveluri de putere, demonstrând că își menține impulsul specific și la puteri reduse (dar cu forță propulsivă redusă, evident).

NuPIT era doar unul dintre sistemele dezvoltate în cadrul programului ”Prometheus”, alături de HiPEP (pe care îl vom discuta la propulsoarele electrostatice) și DS4G. și pentru că tehnologia era mai imatură, dezvoltarea propulsorului a fost oprită, HiPEP fiind sistemul ales pentru viitoarea misiune JIMO (pe care o vom discuta mai in detaliu in viitor și care a fost, la rândul ei, anulată în 4 ani).

La fel ca și MPD-urile staționare, PIT-urile necesită multă putere, și lipsa unui program astro-nuclear robust, este principala piedică în continuarea dezvoltării sale. Comparativ cu MPD-uri, PIT este mult mai flexibil, și, în opinia mea, la fel de promițător, eliminând nevoia superconductorilor și cu o flexibilitate mult mai mare a opțiunilor pentru masa de reacție (fără metale toxice sau gaze scumpe).
 

Va urma!
 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. https://etda.libraries.psu.edu/files/final_submissions/1358
2. https://ntrs.nasa.gov/citations/19890017533
3. https://chemistrytalk.org/water-polarity-why-polar/
4. http://www.astronautix.com/m/mr-502.html
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-and-development-of-a-low-power-laboratory-Mankavi-Rezaeiha/2c71fjhz1mu526H7mf8WDCTd1PxnvLRZdkp9076
6. https://etda.libraries.psu.edu/catalog/8309
7. https://www.eucass-proceedings.eu/articles/eucass/abs/2009/01/eucass1p425/eucass1p425.html
8. http://bustlab.boun.edu.tr/assets/B32%20-%202015%20JPC%20Serhan%20JPCv12_m09_SUBMITTED.pdf
9. https://golden.com/wiki/Momentus_Space-W4BNJRW
10. https://www.thespaceresource.com/news/2019/2/propelling-demand-for-space-water
11. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19950005171.pdf
12. http://alfven.princeton.edu/research/past/met
13. https://authors.library.caltech.edu/3304/1/PARaipcp04b.pdf
14. https://patents.google.com/patent/US5956938
15. https://sciencedocbox.com/Physics/70705799-Beamed-energy-propulsion.html
16. http://electricrocket.org/IEPC/7081.pdf
17. https://llis.nasa.gov/lesson/736
18. https://indico.esa.int/event/181/contributions/1374/attachments/1324/1549/2017_CSID_Gregucci_SITAEL_Arcjet1k.pdf
19. https://www.cc.miyazaki-u.ac.jp/kakami/index_e.html
20. https://www.spaceflightinsider.com/conferences/vasimr-plasma-engine-earth-mars-39-days/
21. https://www.daviddarling.info/encyclopedia/P/pulsedplasmathruster.html
22. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009457651000086X
23. https://appliedionsystems.com/portfolio/ais-uppt1-micro-pulsed-plasma-thruster/
24. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19910017903/downloads/19910017903.pdf
25. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576514004494
26. https://www.mdpi.com/2226-4310/8/1/22/htm
27. https://www.researchgate.net/figure/Self-field-MPD-with-coaxial-electrodes-of-the-same-length_fig2_265068302
28. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1686/1/012023/pdf
29. https://www.nature.com/articles/s41598-021-00308-4
30. http://www-personal.umich.edu/~ianrit/PIT/PIT2.pdf
31. https://www.researchgate.net/figure/A-two-grid-Gridded-Ion-Thruster-GIT-as-a-simplified-schematic-diagram_fig5_348599889
32. https://www.esa.int/gsp/ACT/doc/PRO/ACT-RPR-PRO-IAC2006-DS4G-C4.4.7.pdf
33. https://psyche.asu.edu/2018/01/19/electric-thrusters-psyche-spacecraft-work/
34. https://www.nasa.gov/feature/jpl/solar-electric-propulsion-makes-nasa-s-psyche-spacecraft-go
35. https://beyondnerva.com/electric-propulsion/hall-effect-thrusters/
36. https://whatnext.pl/aeps-czyli-zaawansowany-elektryczny-uklad-napedowy-osiagnal-kamien-milowy-w-swoich-testach/
37. https://pepl.engin.umich.edu/project/x3-nested-channel-hall-thruster/
38. https://www.sitael.com/sitael-space-has-successfully-tested-ram-ep-system/
39. https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster
40. http://electricrocket.org/IEPC/IEPC_2017_377.pdf
41. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576520304264
42. https://www.centauri-dreams.org/2021/11/19/wind-rider-a-high-performance-magsail/
43. https://www.centauri-dreams.org/2019/11/18/the-electric-sail-and-its-uses/
44. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrodynamic_tether
45. https://thedebrief.org/this-new-deep-space-propulsion-system-rides-like-a-leaf-on-the-solar-wind/
46. https://ghostarchive.org/archive/DxPRf
47. https://ghostarchive.org/archive/UCXqo
48. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1538-3873/ac4812