Silnik jonowy w pigułce - najważniejsze informacje o przełomowym napędzie rakietowym

Co jakiś czas na znanych i poczytnych portalach technologicznych pojawiają się bombastyczne zapowiedzi nowych napędów rakietowych, czyli silników jonowych. Tymczasem napędy jonowe już funkcjonują i mają się nad wyraz dobrze, a ich kolejna generacja powoli nadchodzi. Czym jest silnik jonowy i czym niedługo będzie? 

Stary-nowy znajomy

Bez kozery można nazwać silnik jonowy silnikiem elektrycznym na gaz. Ogólna zasada działania jest bardzo prosta: należy przyspieszyć jony, w wyniku czego pojawia się relatywnie słaby ciąg pchający pojazd z wydajnością około 10 razy większą niż w przypadku klasycznych napędów rakietowych. Kiedy po raz pierwszy pojawił się pomysł wykorzystania tak nowoczesnego napędu? Idea zakiełkowała w głowie Konstantina Tsiolkovskiego w 1911 roku, ale na samym pomyśle się skończyło.

Dopiero w 1916 roku przeprowadzono pierwsze eksperymenty na mocno ograniczonych prototypach laboratoryjnych, które skonstruowano w Clark University.

Pierwszy silnik jonowy został opracowany i skonstruowany w NASA przez Harolda Kaufmana w 1959 roku. Gazem napędowym były wtedy opary rtęci. Niesamowity silnik poleciał w przestrzeń orbitalną na pokładzie SERT1 i funkcjonował bez zająknięcia przez wyznaczone 31 minut. Kolejny test odbył się za sprawą SERT2 w 1970 roku.

Jak sami widzicie, rozwój tego napędu trwał piekielnie długo. Powód był taki, że pomysł (w teorii słuszny i nad wyraz efektywny) wyprzedził dostępną wówczas technologię. Montowanie supernowoczesnego silnika do starej lokomotywy nie miało zbyt dużo sensu, kosztowało bardzo dużo i było sporym krokiem przed orkiestrę.

Jak to działa?

Wstępnym źródłem energii i jednocześnie przyspieszaczem gazów jest prąd elektryczny w formie oddziaływania elektromagnetycznego. Służy on do wyrzucania paliwa właściwego, czyli gazu. Pierwszym stosowanym paliwem były wspomniane wcześniej opary rtęci, obecnie wykorzystuje się ksenon.

Podział silników jonowych dotyczy przede wszystkim sposobów akceleracji jonów. Pierwszy typ napędów posługuje się siłą elektrostatyczną, a drugi elektromagnetyczną. Pierwszy typ korzysta ze zjawiska opisanego prawem Coulomba, a drugi zaprzęga do działania siłę Lorentza.

Ciąg powstały w wyniku działania nie jest duży, ale impuls właściwy jest na tyle wysoki, by móc osiągnąć całkiem duże prędkości. W przypadku silników klasycznych ciąg jest bardzo duży, a impuls właściwy niski. Istotną wadą silnika jonowego jest obszar zastosowania. Działa on jedynie w przestrzeni kosmicznej (lub przestrzeni suborbitalnej). Niski ciąg sprawia, że wyniesie ładunku na orbitę jest obecnie niemożliwe.

Ciekawą wariacją silnika jonowego jest silnik Halla, którego widowiskowe działanie możecie obejrzeć na zdjęciu i filmie poniżej. Jony gazu są przyspieszane za pomocą pola elektrycznego, a impuls właściwy wynosi umiarkowane 1600 s. Gazem napędowym jest ksenon, choć rozważa się użycie także kryptonu, argonu i bizmutu.

Silniki te wykorzystuje się do korygowania położenia satelitów i będzie wykorzystywać do eksploracji kosmosu. Ich moc wystarczy do rozpędzenia pojazdu do prędkości 80 km/s! Najpopularniejszym napędem tego typu jest wysłużony PPS-1350 widoczny w duecie na zdjęciu pod filmem.

W fazie rozwojowej znajdują się dwa kolejne typy silników jonowych. Pierwszy z nich to HDLT, czyli Helicon Double Layer Thruster. Dziecko jednego naukowca płci żeńskiej (Dr Christine Charles) z Australii. Silnik ten wykorzystuje efekt oddziaływania elektrycznego dwóch warstw plazmy. Projektem opiekuje się ESA, a docelowym zastosowaniem HDLT będą ponownie satelity. Główną zaletą HDLT jest znaczne uproszczenie konstrukcji w porównaniu ze starszymi typami silników jonowych.

Drugi typ to VASIMR, czyli VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. Silnik plazmowy o zmiennym impulsie właściwym. Tym razem przyspieszaczem jest tandem w postaci pola magnetycznego i mikrofal. Dużym plusem rozwiązania jest zwiększona siła ciągu, czyli największa bolączka jonowych napędów. Nad rozwojem VASIMR czuwają między między innymi MIT oraz Ośrodek Kosmiczny im. Johnsona. Niestety, moc silnika wciąż będzie zbyt mała, by wynieść ładunek z powierzchni Ziemi. Schemat działania silnika oraz efektowny pokaz jego możliwości możecie zobaczyć poniżej. Swoją drogą, ciekawe dźwięki wydają te napędy. Dobry materiał do sampli, nie uważacie?