Stele verzi – Propulsii electrice (III)

Dupa o introducere si descrierea propulsoarelor electrotermice, continuam azi cu VASIMIR.
 

VASIMIR

Am menționat că foarte multe propulsoare se regăsesc într-o zona gri din punct de vedere a clasificării, și nimic nu exemplifică asta mai bine decât VASIMR. Numele este abrevierea de la Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, sau rachetă magneto-plasmatică cu impuls specific variabil. Un nume complicat pentru un propulsor și mai complicat, cu o istorie pe măsura.

Până acum, am vorbit despre plasmă ca fiind un gaz foarte fierbinte, dar asta nu e cea mai bună descriere. În fapt, o plasmă e doar o stare în care atomii devin „socialiști”: electronii de la un atom sar la alt atom în mod aleatoriu. De fapt, în loc să stea fiecare atom cu electronii lui, aceștia sunt primiți și împărțiți la comun. Fiindcă numărul de electroni (încărcați negativ) și cel de ioni (încărcați pozitiv) rămân egali, plasma rămâne neutră per total. Dar fiindcă distanța dintre nucleu sau ion și electronii corespunzători e arbitrară, ele nu sunt tot timpul suficient de apropiate cât să își anuleze sarcinile electrice la scară mică. Ceea ce înseamnă că, la anumite instanțe de timp (de milioane de ori pe secundă), fiecare atom are o fereastră de timp în care are comportament de obiect încărcat magnetic. E de fapt timpul între momentul în care un atom cedează un electron și cel în care primește alt electron.

Într-un VASIMR, un gaz neutru, cum e argonul sau xenonul, este injectat într-o cameră înconjurată cu bobine electromagnetice. Aici este poziționată o antenă helicon care supune gazul unui bombardament cu unde radio (10-50 MHz). Până aici, ai spune ca seamănă cu un propulsor RF. Doar ca scopul acestui bombardament nu este să încălzească plasma, ci să o facă susceptibilă manipulării cu câmpuri electromagnetice. Ea devine o „plasmă rece” (deși „rece” e un termen care te păcălește; are mii de grade, dar mii de grade nu e foarte mult pentru o plasmă).

Această plasmă este apoi transmisă printr-o a doua cameră, în care câmpurile magnetice iau forma unui ajutaj convergent-divergent, similar rachetelor obișnuite. Pe lângă această interacțiune cu ajutajul magnetic, această a doua cameră încălzește plasma printr-un fenomen denumit rezonanță ciclotronică a ionilor (ion cyclotron resonance heating). Mai exact, lovești ionii din plasmă cu unde radio care corespund frecvenței de rezonanță a plasmei. Adică, în loc să treaca prin ea sau să fie reflectate, undele radio sunt absorbite și își cedează energia plasmei. Într-un VASIMR, procesul încălzește plasma de la miile de grade pe care le avea, la peste 1,000,000 de grade Celsius, de 173 de ori temperatura suprafeței Soarelui. O asemenea creștere masivă de temperatură generează o dilatare ridicol de puternică a plasmei. În final, aceasta plasmă formidabilă este evacuată printr-un ajutaj magnetic.

Schema funcțională a unui VASIMR – Credit & Copyright: Ad Astra Rocket Company

Așadar, spre deosebire de marea majoritate a propulsoarelor electrice, ionizarea și încălzirea plasmei sunt procese separate, un caz unicat din ce știu eu. Ionizarea se realizează printr-un anumit tip de unde radio (cu un tip de antenă șmecheră care generează niște efecte mai interesante), iar încălzirea se realizează prin alt tip de unde radio la frecvența de rezonanță, similar cu un propulsor electrotermic. Plasma generată este, însă, accelerată folosind câmpuri magnetice, la fel ca la un propulsor electromagnetic. Dar această accelerare a plasmei nu se realizează folosind forța Lorentz (ca la un propulsor electromagnetic obișnuit, sau un railgun) ci din simpla dilatare termică a masei de reacție, folosind un ajutaj convergent-divergent. Componenta electromagnetică a forței de accelerare e neglijabilă. Practic magneții nu au alt rol decât de a forma un ajutaj care nu se poate topi. Deci, într-un final, dacă elimini marketing-ul și clickbait-ul, VASIMR e un propulsor electrotermic RF, cu o configurație foarte neobișnuită a etapelor de ionizare și accelerare.

VASIMR are două caracteristici importante:

• Durată de viată extrem de lunga, mulțumita lipsei de contact distructiv între plasmă și sistem
• Viteză de evacuare / tracțiune variabilă.

Această ultimă caracteristică este cea mai des menționată, pentru că permite anumite manevre interesante. În esență, permite manevre Oberth (slăbuțe, ce-i drept) care presupun accelerarea unei nave în timpul căderii într-un put gravitațional. Denumite și „praștii orbitale”, aceste manevre practic cresc eficiența utilizării masei de reacție, și permit obținerea unor viteze finale mai mari decât ar fi permise în mod normal din ecuația rachetei. Dar, ele necesită motoare cu accelerație puternică, pentru că arderea nu e eficientă decât la periapsis, adică punctul de pe orbită în care nava e la distantă minimă de planetă. Majoritatea propulsoarelor electrice nu se pretează la așa ceva, pentru că accelerațiile lor sunt mult prea mici. Spre deosebire de ele, VASIMR poate executa manevre Oberth (accelerația nu e foarte mare, așadar nici plusul de viteza după manevra nu e foarte mare, dar există…).

Mai interesant este faptul că poți varia impulsul specific pe parcursul unui voiaj pentru a optimiza consumul de masă de reacție. O nava obișnuită menține aceeași putere și viteză de evacuare tot timpul, și din acest motiv, accelerează mai puternic către finalul arderii, după ce consumul masei de reacție a făcut-o mai ușoară. Asta e o ineficiență, iar VASIMR permite eliminarea ei.

Date tehnice aproximative ale unui propulsor VASIMR de 10MW în diferitele sale regimuri („trepte”) de operare (treptele nu sunt discrete, ci doar mostre dintr-o plaja de valori. E un propulsor de hârtie, dar cifrele par promițătoare)

Evident, când arunci cu cifre de genul asta, atragi atenția. Viteza de evacuare de 300 km/sec? Forță de 400 N? Astea sunt performanțe revoluționare! Și astfel de promisiuni au atras multă finanțare de-a lungul timpului. Dar realitatea e ceva mai anostă: datele de mai sus sunt pentru un propulsor teoretic de 10 MW. Adică acest propulsor ar avea nevoie de o suprafață de panouri solare de 100 de ori mai mare decât ce folosește Stația Spațială Internațională. Asta presupunând că parametrii teoretici se verifica în viața reală. Spun asta pentru că VASIMR are o istorie… interesantă.

Sistemul a fost propus prima oară în 1977 (asta pentru toți jurnaliștii netoți care îl prezintă ca fiind o chestie nouă, revoluționară) de către un fost astronaut devenit antreprenor pe nume Franklin Chang Diaz. Acesta studia fuziunea nucleară la MIT în anii 70 și a realizat că anumite concepte folosite în acel domeniu au aplicabilitate în propulsie spațială. Mai exact, încălzirea plasmei folosind rezonanță ciclotronică este procedeul folosit și pentru a încălzi plasma din reactoarele cu fuziune de tip Tokamak. De ce nu ai folosi-o și pentru un astfel de propulsor?

Devenit astronaut în 1980 și zburând prima dată în 1985, Diaz a rămas preocupat de potențialul acestui sistem pe tot parcursul carierei sale la NASA. Din acest motiv, a împins puternic pentru dezvoltarea acestui propulsor. După finalizarea carierei sale ca și astronaut (2002) și ca angajat NASA (2005), a fondat compania Ad Astra pentru a putea continua dezvoltarea tehnologiei în vederea unei eventuale comercializări. De-a lungul timpului, VASIMR a primit multă finanțare atât de la NASA cât și de la diverse entități științifice.

Problema este că în ultima vreme, VASIMR a început să fie din ce în mai contestat. Pentru că el are niște hibe:

• Propulsorul este MARE. Chiar și modelul teoretic prezentat mai sus cântărește 17 tone. Și asta nu se datorează însuși felului în care e construit: la alte tipuri de propulsoare, o componentă poate îndeplini una sau mai multe funcții (spre exemplu, ionizarea e și accelerare). Practic e modular, și ce e modular e, în genere, mai masiv.
• Nu poate fi micșorat cu ușurință. Cele mai mici puteri obținute în prototipurile testate de către Ad Astra sunt tot de ordinul a zeci de kilowați. Și nu prea ai o sursă suficient de puternică pentru așa ceva.
• Configurația rafinată a electromagneților s-a dovedit a fi dificilă de realizat. Să încerci să colimezi plasma folosind câmpuri magnetice e ca și când ai încerca să ridici o gelatină folosind benzi elastice. La un propulsor electromagnetic normal, asta nu e foarte problematic, pentru că incinta de accelerare e doar un tub, iar câmpul magnetic are forma unui cilindru. Configurația convergent-divergentă a sistemului de îndiguire a plasmei dintr-un VASIMR e mult mai complexă, și a produs efecte neașteptate care au întârziat mult proiectul (de la primele modele realizate în 1983, au durat mai bine de 15 ani până când un prototip a funcționat cât de cât în parametrii). Pe lângă asta, câmpurile magnetice foarte intense necesită folosirea supraconductorilor, o clasă de materiale cu rezistență electrică nulă care au devenit disponibile în comerț de-abia în ultimii 10 ani. Iar acei superconductori trebuie menținuți la temperaturi scăzute și sunt scumpi. Mai mult, propulsoarele VASIMR nu pot fi organizate în mănunchiuri, deoarece câmpurile magnetice ar interfera intre ele.

Configurația magnetică a unui VASIMR – Deși pare simplă, forma nu e ușor de obținut, pentru că un câmp magnetic nu e țeapăn, ci are elasticitate

Putem deci să ne punem niște întrebări și, prin răspunsurile la ele, să ne dam seama de ce a fost aleasă într-un final această soluție constructivă bizantină:

• De ce nu folosește forța Lorentz pentru a accelera plasma?

Pentru că pe vremea când au apărut, acceleratoarele Lorentz erau imature. Diaz a folosit un ajutaj convergent-divergent pentru că forma și principiul său sunt folosite pretutindeni în rachetistică și industria aerospațială.
De asemenea, am stabilit deja că propulsoarele electrotermice sunt prima clasă de propulsoare electrice care au intrat în folosință. De aceea și VASIMR e electrotermic, pentru era ceva mai familiar. Comparativ, propulsoarele ionice sau electromagnetice necesitau cunoștințe de fizica plasmei care nu erau încă bine înțelese.

• De ce necesită puteri atât de mari?

Pentru că așa e construit sistemul. Dacă este să fim perfect sinceri, sistemul a fost propus într-o perioadă de timp în care NASA era în vrie, lucrând de zor la fatidica navetă spațială, după ce a fost forțată să abandoneze racheta Saturn V, programul ROVER și capsulele spațiale Gemini și Apollo. Nu cred ca Diaz și-a închipuit că, 45 de ani mai târziu, tehnologia foarte promițătoare a reactoarelor spațiale va sta TOT pe raft….

• Cu atâtea dificultăți, ce rezolvă de fapt acest sistem?

Astăzi accentul se pune pe variabilitatea impulsului specific ca și principal avantaj, dar, în fapt, asta e mai degrabă o trăsătură adăugată ulterior. În realitate, principala problemă pe care VASIMR era gândit să o rezolve era durata de viată a propulsoarelor.
Vedeți, propulsoarele electrice care se aflau în dezvoltare la acel moment (propulsoarele cu efect Hall sovietice, și cele ionice ale SUA) sufereau de eroziune a catozilor. Și era o problemă mare. Practic, sarcinile electrice mari pe care le necesitau produceau scântei și descărcări care stricau componentele interne. Comparativ cu ele, VASIMR era extrem de longeviv în funcționare.
Problema VASIMR-ului e că tehnologia a evoluat, propulsoarele cu grilă și cele cu efect Hall au ajuns la un nivel la care problemele astea timpurii au fost eliminate, iar acum se vede pus sub semnul întrebării din ce în ce mai tare.

Aceasta ultima întrebare conduce la o alta: de ce este încă finanțată dezvoltarea sa după ce s-au cheltuit atâția bani? Răspunsul cinicului ar fi: Diaz însuși. Un astronaut („all american hero”) e greu de refuzat, iar lunga sa cariera la NASA ca astronaut, fizician și director al laboratorului pentru propulsii avansate din cadrul Johnson Space Center clar îl pune într-o postura de favorit ori de cate ori NASA anunță competiții pentru firme care doresc să dezvolte sisteme avansate. Și e și destul de clar că are legături și politice, nu doar științific-academice. În plus, dezvoltarea lungă a acestui propulsor și complexitatea sa a permis angrenarea unor echipe tehnice numeroase. Practic, foarte mulți ingineri de propulsii avansate au lucrat la el când erau novici, și ca atare sunt familiari cu acest sistem. Asta e o masă de lobby bună.

Dar nu ar fi corect să punem succesul financiar al propulsorului doar pe seama factorilor de culise. Ca să fim cinstiți, VASIMR a fost cel mai avansat sistem de propulsie electrică vreme de 20 de ani. Dacă programul spațial ar fi fost mai robust, propulsorul ar fi fost, pe merit, folosit. Dacă oamenii ar fi zburat pe Marte cu propulsii electrice în anii 90, ar fi făcut-o cu VASIMR. Și o buna parte din lentoarea dezvoltării sale se datorează bugetelor veșnic insuficiente (de altfel, Ad Astra se vede nevoită să construiască o noua variantă de VASIMR de câte ori NASA indică o schimbare de direcție; propulsoarele VX-50 și VX-100 erau acceptabile, dar o data cu demararea programului Constellation, au trebuit să construiască VX-200. Acum, cu noul program Artemis și Gateway, ei să vad forțați să construiască VX-200SS pentru a face față concurenței cu propulsoarele Hall propuse pentru noua stație spațială. Fiecare nou propulsor trebuie făcut și testat de la zero).

Cumva, marea hibă a VASIMR e că e gândit pentru misiuni și infrastructură orbitală de anvergură, în care remorchere orbitale mișcă stații de zeci de tone intre orbite. Fără așa ceva, o eventuală lansare în viitorul apropiat nu pare fezabilă. NASA poate cheltui bugete pentru a menține forța de muncă înalt calificată, dar rareori are la dispoziție sumele necesare pentru un program de anvergură. și mulți pun întrebarea (nu fără prisosință) dacă nu care cumva resursele cheltuite pe el nu ar fi fost mai util dacă erau folosite pentru alte propulsoare mai moderne. Rămâne de văzut….

Până atunci, cine va avea curiozitatea de a vizita site-ul companiei Ad Astra va vedea performanțele obținute de cel mai nou testat propulsor VASIMR (https://www.adastrarocket.com/our-engine/). Actualmente, este vorba de propulsorul de 200kW: eficiență de 73%, forță propulsiva de 6 N, impuls specific de 5000 sec (adică viteză de evacuare de 50 km/sec). Bun, dar încă departe de promisiuni.

VASIMR în teste într-o cameră vidată din laboratorul companiei Ad Astra

 

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