Stele verzi – Propulsii electrice (VII)

Dupa o prima parte dedicata propulsoarelor electrostatice – mai exact propulsoarele ionice cu grilă (Gridded Ion Thruster), continuam astazi cu Propulsoarele cu efect Hall (Hall Effect Thruster), acestea fiind tot propulsoare electrostatice.

• Hall Effect Thruster / Propulsoarele cu efect Hall: cunoscute și sub numele de propulsoare Hall, acestea constituie a doua mare categorie de propulsoare electrostatice folosite astăzi. Ele se bazeaza pe efectul Hall (denumit după descoperitorul său, Edwin Hall). Practic, la un capăt al propulsorului, unde are deschidere spre spațiu, generezi un nor de plasmă electronică (încărcata negativ). Norul este format prin acțiunea unui câmp magnetic asupra electronilor. Acest câmp magnetic le limitează libertatea de mișcare, generând un curent electric care poartă numele de curent Hall. Acești electroni ionizează pozitiv atomii injectați prin anod, transformându-i in ioni, iar acești ioni, la rândul lor, sunt accelerați de câmpul electric ambiant. Spre deosebire de un propulsor cu grile, jetul de evacuare nu are sarcina electric, si, deci, nu necesită un pas de neutralizare. Asta deoarece ionii evacuați ”trag” după ei și un număr de electroni din nor.

Diagramă în secțiune a unui propulsor cu efect Hall

În general, propulsoarele Hall au viteze de evacuare mai mici decât propulsoarele cu grile (impulsuri specifice între 1000 și 8000 secunde, corespunzând unei plaje de viteze de evacuare de 10-80 km/sec), dar forte propulsive mult mai mari (de ordinul a 0.1-10 N). La fel ca și propulsoarele cu grile, HET-urile folosesc bismut, argon, krypton sau xenon ca și masă de reacție. De asemenea, durata lor de viață este limitată datorită interacțiunilor distructive ce pot apărea între plasmă și pereți.

Propulsoarele Hall au o istorie interesantă: ele au fost teoretizate de ambele parți ale Cortinei de Fier, dar relativ puțin investigate în SUA, care a preferat să se axeze pe propulsoare cu grile. În schimb, URSS le-a cercetat și dezvoltat intens, ele constituind practic răspunsul sovietic la propulsoarele ionice americane.

Primul propulsor Hall a zburat în spațiu în 1971, la bordul unui satelit meteorologic sovietic Meteor, unde a fost folosit pentru controlul poziției și altitudinii. Deja, la caderea URSS, sovieticii dezvoltaseră două tipuri de propulsoare Hall (SPT și TAL, sau propulsoare cu zonă de accelerare lungă și propulsoare cu zonă de accelerare lată) , și o întreaga panoplie de modele (un fapt surprinzător pentru vestici când au vizitat facilitățile rusești în anii 90).

Propulsoare tip SPT sovietice Producția și dezvoltarea lor a continuat până în prezent sub egida Biroului de Proiectare (OKB) Fakel. Propulsoarele rusești au zburat pe foarte multe misiuni spațiale comerciale în ultimii 30 de ani

Pentru ca rușii erau ahtiați după bani în anii 90, propulsoarele Hall au fost oferite pentru diverse misiuni comerciale. Așadar, ele constituie cam singura categoria de propulsoare electrice care au zburat pe misiuni comerciale mai degrabă, decât pe misiuni științifice. Iar interesul comercial a rămas foarte puternic, dacă ne uitam la constelațiile uriașe din viitorul apropiat (spre exemplu, Starlink folosește sateliți ce au la bord propulsoare Hall cu krypton). De fapt, putem spune că propulsoarele Hall au cam acaparat piața propulsoarelor electrotermice de mici dimensiuni (care rămân interesante pentru misiuni unde ești forțat să folosești alte tipuri de substanțe pe post de masă de reacție).

Devenind populare în Vest începând cu anii 90, ele au început să și acapareze interesul comunității științifice, iar astăzi o sumedenie de companii vestice au adoptat și ele tehnologia. Prima navă științifică vestica care a folosit un propulsor Hall a fost satelitul lunar SMART-1, un demonstrator tehnologic lansat în 2003, având la bord un propulsor Snecma-1350G.

SMART-1, cu panoplia sa de instrumente și propulsorul Hall

O altă misiune care va folosi un propulsor Hall este Psyche, o sondă spațială ce va fi lansată (sperăm) in 2023 și va studia asteroidul uriaș 16 Psyche, cel mai mare asteroid metalic din Sistemul Solar. Nava ar urma să aibă la bord patru propulsoare SPT-140, produse de compania Maxar sub licență rusească, care ar folosi între 4.5 și 0.9 kW (Psyche folosește panouri solare, deci puterea disponibilă scade pe măsură ce ne îndepărtam de Soare), producând 280 mN de forță propulsivă vreme de 5 ani, cu o viteză de evacuare de 18 km/sec și consumând 922 kg de xenon.

Propulsorul SPT-140 în testări la facilitățile NASA Jet Propulsion Laboratory

Nava Psyche in drum spre asteroidul cu același nume

Nivelul ridicat de maturitate al tehnologiei face ca acest tip de propulsor să fie interesant și pentru roluri de ajustare orbitală a stațiilor spațiale. Astfel, NASA dezvoltă și testează propulsorul HERMeS, sau Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding. Acest propulsor ar face parte din modului propulsiv PPE (Power and Propulsion Element) de 8-9 tone care ar intra în componența stației cislunare Gateway. Dezvoltarea face parte din programul Advanced Electric Propulsion System (AEPS), iar sistemul este preconizat a fi folosit și pe eventuale misiuni marțiene.

PPE ar include 4 astfel de propulsoare, a câte 12.5 kWe fiecare, totalizând 50 kW, produși cu ajutorul unui sistem de panouri solare. Ele ar avea o viteză de evacuare de 28.5 km/sec, impuls specific de 2900 sec, cu forță propulsivă de 600 mN fiecare.

Lunar Gateway și propulsoarele sale

HERMeS în teste

Ar mai fi de menționat propulsoarele X3 și X2 dezvoltate de NASA pentru misiuni spațiale cu echipaj uman. Acestea folosesc o configurație interesantă, cu două (X2) sau trei (X3) canale concentrice. Aceste canale pot fi operate separat sau împreuna, permițând propulsorului sa opereze atât in regim de forța mare / impuls specific mediu, cât și impuls specific mare/forța redusă. Această categorie de propulsoare Hall se numesc Nested Channel Thrusters sau NCH-uri, și au fost dezvoltate de NASA în colaborare cu Universitatea din Michigan.

X3 este cel mai avansat din linia NCH-urilor, și a fost testat în laborator in 2018. Rezultatele au arătat ca propulsorul produce până la 5.4N forță propulsivă, cu impuls specific între 1800 și 2650 secunde (viteze de evacuare între 17.8 și 26 km/sec), consumând 100 kW de energie.

Diagrama în secțiune a propulsorului cu două canale X2 și schemă ilustrativă a modurilor sale de operare

Propulsorul X3 și imagini cu testarea sa în diferite regimuri de operare

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