Stele verzi – Propulsii electrice (IV)

Dupa o introducere si descrierea propulsoarelor electrotermice si o scurta oprire la VASIMIR, continuam azi cu propulsoare electromagnetice.

Propulsoare electromagnetice

Trecem la capitolul propulsoarelor electromagnetice. La fel ca și cele electrotermice, ele au cele trei faze funcționale:

• Ionizare
• Accelerare
• Evacuare

Spre deosebire de cele electrotermice, propulsoarele EM folosesc exclusiv plasmă. De asemenea, toate folosesc ca și mijloc de accelerare forța Lorentz, singura diferență fiind felul în care este utilizat acest fenomen.

Forța Lorentz este o forță care apare atunci când un conductor străbătut de un curent electric se află în prezența unui câmp magnetic pe o direcție perpendiculară. Mișcarea e ușor de determinat folosind regula mâinii stângi.

Regula mâinii stângi

Forța Lorentz este unul dintre cele mai des întâlnite fenomene electrice, fiind folosit practic în orice situație unde se folosește energie electrică pentru a genera mișcare, de la motoare și generatoare electrice, la subwoofere. Dacă e să vorbim despre propulsoare, cea mai ușor de vizualizat aplicație ar fi un accelerator electromagnetic liniar, sau, în engleză, un railgun. Aici, avem două șine paralele prin care trece un curent electric. Acest curent trece de la șina încărcată pozitiv la cea încărcată negativ prin proiectil. Șinele generează, astfel, un câmp magnetic, care, în combinație cu curentul electric, accelerează proiectilul de-a lungul șinelor.

Schema funcțională a unui accelerator liniar electromagnetic

După cum vom vedea, propulsoarele electromagnetice folosesc același principiu, doar ca in locul unui proiectil fizic, folosesc un nor de plasmă. Ca și rădăcină tehnologică, ele se trag din experimente făcute pe arcjet-uri în zorii erei spațiale, când inginerii s-au gândit să folosească forța Lorentz pentru accelerarea plasmei unui arcjet, în locul dilatării termice. Să începem lista:

• Pulsed plasma thruster / propulsor pulsatoriu cu plasmă: principial cel mai simplu tip de propulsor electromagnetic, ele folosesc un arc electric pentru a vaporiza și ioniza un bloc de masă de reacție. Blocul este introdus încet în arcul electric, iar norul de plasmă rezultant este accelerat prin contactul cu doua placi încărcate (un anod și un catod). Pentru că plasma conduce curentul electric, norul închide circuitul, iar particulele sale resimt forța Lorentz și sunt accelerate de-a lungul celor două plăci.

Schema funcțională a unui PPT Sursă: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009457651000086X

Majoritatea PPT-urilor folosesc un combustibil solid (de regula teflon) care este introdus la o rată constantă în camera de ionizare. Un banc de condensatoare primesc energie electrica de la rețea, o stochează și o eliberează instant pe toată la un anumit interval de timp. Așadar, acest gen de propulsor funcționează intermitent, și cu cât primește mai multă energie, cu atât încarcă/descarcă condensatoarele mai repede și produce mai multe pulsuri. Mecanismul de introducere a masei de reacție este, de obicei, un mecanism cu arc mecanic.

Ele au zburat prima dată la bordul sondei marțiene Zond-2, unde a funcționat ok, dar misiunea a fost pierdută din alte motive. Prima dată când au zburat sub steag american a fost in 1968, la bordul sateliților LES-8 și LES-9. De atunci, au mai fost folosite intermitent la bordul unor misiuni de lungă durată ca și propulsoare pentru ajustări orbitale, mai ales că sunt ușor de realizat la dimensiuni și puteri mici.

În ciuda simplității, robusteții și costului lor redus, ele au și dezavantaje. În primul rând, încălzirea electrozilor e o risipă de putere, iar conexiunea dificilă și variabilă între norul de plasmă și electrozi face ca eficiența propulsorului să fie de numai 10% estimativ (comparativ cu 73 pentru VASIMR, sau 80+ pentru propulsoare EM mai avansate sau cele electrostatice). Avantajele le fac, însă, populare in rândul laboratoarelor universitare și al altor organizații care lansează microsateliți cubici. Diferite modele sunt disponibile off-the-shelf de la producători comerciali.

Reprezentativ pentru clasă ar fi propulsorul lansat și testat de NASA la bordul satelitului Earth Observer-1 în 2000. Acesta consuma 70 de Wați și producea o forță de 860 micro-Newtoni (0.0001 kgf), cu o viteză de evacuare de 13700 m/sec. Patetic, dar suficient pentru un satelit de dimensiuni mici.

Deși nu generează foarte mult interes în ziua de azi, propulsorul pulsatoriu cu plasmă are două variante/dezvoltări mai nou propuse: propulsorul pulsatoriu cu plasmoizi și propulsorul cu recombinare electromagnetica Alfenvic, care promit performanțe mult îmbunătățite. Dar acestea există doar pe hârtie, și va mai dura până când vom vedea prototipuri ale lor în testare.

Sus: Propulsorul NASA de la bordul satelitului EOS-1. Centru: Același propulsor în laborator. Jos: propulsorul cu plasma micropulsată AIS-uPPT1 al companiei Applied Ion Systems Surse: https://www.daviddarling.info/encyclopedia/P/pulsedplasmathruster.html și https://appliedionsystems.com/portfolio/ais-uppt1-micro-pulsed-plasma-thruster/

• Magnetoplasmadynamic thruster / propulsor magneto-plasmadinamic: Abreviate MPD-uri sau MPDT-uri și cunoscute și sub numele de acceleratoare cu forță Lorentz (în Vest) sau arcjet-uri plasmadinamice (în Japonia). Ele constituie o clasă de propulsoare extrem de puternice și performante, cu tracțiuni și impulsuri specifice teoretic superioare celorlalte clase de sisteme.

Cele mai des întâlnite exemple sunt așa-numitele propulsoare staționare (denumite astfel pentru că funcționează în regim continuu), derivate din arcjet-uri prin munca experimentală realizată in anii 60. Practic, iei un arcjet și în loc să te concentrezi pe expansiunea termică a plasmei, te axezi pe comportamentul său electromagnetic. Comparativ cu un arcjet, un MPD tinde să folosească catozi mai lungi, pentru a întreține un arc electric mai puțin intens, pentru că rolul arcului este doar ionizarea, nu și înfierbântarea. Din acest motiv, ele sunt și foarte similare cu arcjet-uri din punct de vedere constructiv, dar cu o configurație diferită. Un arcjet tinde să fie un tub lung, pe când un MPD staționar e mai degrabă similar cu o goarnă. Teoretic, vrei ca lungimea perpendiculara pe axul propulsorului să fie cât mai mare, pentru a genera mai multa forță, dar dincolo de o anumita lățime, arcul electric tinde să devină extrem de rezistiv, provocând pierderi mari. Toate astea pentru a obține o plasmă relativ rece, susceptibilă la câmpuri magnetice, dar al cărei componenta de expansiune termică e neglijabilă.

diagrama secționată a unui MPD staționar (partea superioară) și un arc jet (partea inferioară). La un MPD, lungimea gâtului nu e importantă, ci distanța dintre axul central al propulsorului și anod. Imagine reprodusa prin amabilitatea beyondnerva https://beyondnerva.com/electric-propulsion/magnetoplasmadynamic-mpd-thrusters/

După modul în care e folosit câmpul magnetic, MPD-urile staționare pot fi împărțite în două categorii:

• Propulsoare cu câmp aplicat extern / applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD)
• Propulsoare cu câmp magnetic indus / self-field magnetoplasmadynamic thrusters (SF-MPD)

 

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