پیشرانه‌های الکتریکی پلاسمای هلیکون بدون الکترود
سفر به مریخ در یک ماه ممکن شد؛ پیشرانه‌های پلاسمای هلیکون بدون الکترود امروزه با سرعت اگزوز ۶۰ کیلومتر بر ثانیه و طول عمر نامحدود، سفر به اعماق فضا را متحول ساختند.
- تحلیل موشکافانه و تخصصی تحول تاریخی مهندسی پیشرانش فضایی امروزه با آزمایش موفق پیشرانه‌های پلاسمای هلیکون بدون الکترود (Electrodeless Helicon Plasma Thrusters) و نازل‌های مغناطیسی هدایت‌کننده. بررسی عبور از محدودیت‌های پیشرانه‌های یونی کلاسیک هال که در اثر سایش الکترودها و شبکه گرید فلزی عمر محدودی داشتند؛ تبیین فیزیک یونیزاسیون رادیوفرکانسی امواج هلیکون، دستیابی به تکانه ویژه (Isp) فراتر از ۶۰۰۰ ثانیه و سرعت خروج اگزوز ۶۰ کیلومتر بر ثانیه با گازهای زنون و آرگون، کاهش زمان سفر سرنشین‌دار به مریخ از ۹ ماه به کمتر از ۳۵ روز با انرژی راکتورهای میکروفیوژن هسته‌ای و آغاز عصر یدک‌کش‌های مداری دائمی در اعماق منظومه شمسی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
محدودیت‌های ذاتی موتورهای شیمیایی و پیشرانه‌های یونی کلاسیک در اعماق فضا
بشر برای بیش از هفت دهه برای فرار از گرانش زمین و سفر به ماه از موشک‌های سوخت شیمیایی استفاده کرده است. با این حال، موتورهای شیمیایی با وجود تراست (نیروی رانش) اولیه عظیم، تکانه ویژه (Specific Impulse - Isp) به شدت پایینی دارند که به ندرت از ۴۵۰ ثانیه فراتر می‌رود. این یعنی برای فرستادن یک فضاپیمای کوچک به سیاره سرخ مریخ، بیش از ۹۰ درصد وزن کل پرتابه باید سوخت مایع باشد و سفر رفت حداقل ۸ الی ۹ ماه زمان خواهد برد که فضانوردان را در معرض تشعشعات مرگبار کیهانی قرار می‌دهد.
پیشرانه‌های الکتریکی و یونی کلاسیک (مانند ترسترهای اثر هال) تکانه ویژه را تا ۳۰۰۰ ثانیه بالا بردند، اما با یک نقص مرگبار دست‌به‌گریبان هستند: سایش فیزیکی قطعات. در این موتورها، یون‌های مثبت پرانرژی با شبکه‌های فلزی خروجی یا کاتدهای الکترودی برخورد کرده و دیواره‌ها را متلاشی می‌کنند؛ به طوری که عمر عملیاتی موتور پس از چند هزار ساعت به پایان می‌رسد و برای ماموریت‌های درازمدت منظومه شمسی نامناسب است.
همان‌گونه که در تشریح راکتورهای همجوشی توکامک با آهنرباهای ابررسانای دمای بالا دیدیم که مهار پلاسما با خطوط میدان مغناطیسی مانع از ذوب دیواره‌ها می‌شود، در عرصه پیشرانش فضایی نیز حذف هرگونه تماس مکانیکی با گاز باردار تنها راه دستیابی به ماموریت‌های فضایی پایدار است.
فیزیک امواج هلیکون و یونیزاسیون رادیوفرکانسی؛ تولید پلاسمای فوق‌متراکم بدون تماس فیزیکی
امواج هلیکون (Helicon Waves) دسته‌ای از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین هستند که در ستون‌های پلاسمای دارای میدان مغناطیسی طولی منتشر می‌شوند. در پیشرانه‌های نسل نو دوران کنونی گاز پیشران (زنون، آرگون یا حتی نیتروژن جوی) به یک لوله سرامیکی عایق با نفوذپذیری بالا تزریق می‌شود.
آنتن‌های رادیوفرکانسی مخصوصی با فرکانس ۱۳.۵۶ مگاهرتز به دور لوله پیچیده شده‌اند که امواج هلیکون را با راندمان نزدیک به صددرصد به درون گاز جفت می‌کنند. این انرژی، گاز را به پلاسمایی کاملاً یونیزه با چگالی ۱۰ به توان ۱۹ یون در متر مکعب تبدیل می‌نماید که دمای الکترونی آن به ده‌ها هزار درجه کلوین می‌رسد.
از آنجا که تمام فرآیند یونیزاسیون از بیرون لوله شیشه‌ای و از طریق میدان‌های امواج رادیویی صورت می‌گیرد، هیچ کاتد، آند یا شبکه فلزی در مسیر پلاسما وجود ندارد؛ مفهومی درخشان که سایش قطعات را به معنای واقعی کلمه به «صفر» رسانده است.
نازل‌های مغناطیسی ابررسانا و شتاب‌دهی خطوط میدان؛ رسیدن به سرعت خروج ۶۰ کیلومتر بر ثانیه
پس از تولید پلاسمای فوق‌متراکم، چالش بعدی شتاب‌دهی و پرتاب جهت‌دار آن به بیرون است. در موتورهای معمولی از نازل‌های همگرا-واگرای فیزیکی استفاده می‌شود که پلاسما با دمای بالا فوراً آن‌ها را تبخیر می‌کند.
پیشرانه‌های هلیکون دوران کنونی به «نازل‌های مغناطیسی» (Magnetic Nozzles) مجهزند. سیم‌پیچ‌های ابررسانای دمای بالای YBCO در انتهای لوله، میدان مغناطیسی پرقدرتی شکل می‌دهند که همگرا و سپس واگرا می‌شود. پلاسما در امتداد این خطوط نامرئی میدان جاری شده و انرژی حرارتی الکترون‌ها از طریق مکانیزم شتاب‌دهی پتانسیل دوسویه (Ambipolar Potential) به سرعت رانشی یون‌ها بدل می‌گردد.
در نقطه جدایش میدان، یون‌های باردار با سرعت خارق‌العاده ۶۰ کیلومتر بر ثانیه (تکانه ویژه فراتر از ۶۲۰۰ ثانیه) به فضای خلأ شلیک می‌شوند؛ سرعتی باورنکردنی که فضاپیما را قادر می‌سازد با کمترین جرم سوخت ممکن، پیوسته و بدون وقفه در طول مسیر شتاب بگیرد.
طول عمر ده‌ها هزار ساعته، کاهش زمان سفر به مریخ و پیشبرد یدک‌کش‌های مداری
آزمایش‌های اتاقک خلأ حرارتی در ایستگاه‌های فضایی طی سپتامبر نشان دادند که این پیشرانه‌ها می‌توانند به مدت بیش از ۳۰ هزار ساعت (معادل ۳.۵ سال کارکرد بی‌وقفه) بدون کوچک‌ترین افت عملکرد روشن بمانند؛ رکوردی که با موتورهای نسل قدیم تصوری غیرممکن بود.
با تامین برق این موتورها از طریق راکتورهای هسته‌ای میکروفیوژن فضایی، فضاپیما دیگر به شتاب‌های لحظه‌ای کوتاه وابسته نخواهد بود، بلکه در تمام طول سفر نیمی از مسیر را با شتاب مثبت حرکت کرده و در نیمه دوم با شتاب منفی ترمز می‌نماید. محاسبات دینامیک مداری تایید می‌کنند که با این رویکرد، زمان رسیدن به مریخ به کمتر از ۳۵ روز تقلیل خواهد یافت.
علاوه بر کاوش‌های اعماق فضا، کاربرد تجاری فوری این موتورها در «یدک‌کش‌های مداری پایدار» (Space Tugs) است که می‌توانند ماهواره‌های از رده خارج را جابه‌جا کرده یا محموله‌های عظیم ایستگاه‌های مداری را میان زمین و ماه ترابری نمایند؛ بدون آنکه نیازی به تعویض یا تعمیر دوره‌ای موتور باشد.
همگرایی پیشرانش پلاسما با راکتورهای میکروفیوژن و نقشه راه اکتشاف منظومه شمسی
همگام با توسعه ابزارهای ژئوفیزیکی که در گرانش‌سنجی کوانتومی اتم سرد و نقشه‌برداری ژئوفیزیک و منابع زمین‌شناختی جدید نظیر اکتشاف هیدروژن سفید زمین‌زاد و واکنش‌های سرپانتینی‌شدن بررسی کردیم، گسترش افق‌های علم نیازمند دسترسی به منابع بی‌پایان انرژی است.
کنسرسیوم‌های بین‌المللی فضایی در حال ادغام پیشرانه‌های هلیکون با پلتفرم‌های خورشیدی فضایی و راکتورهای فضایی هستند تا اولین کاروان باری پایگاه دائمی مریخ را در سال ۲۰۲۸ به پرواز درآورند. این فناوری همچنین امکان استفاده از گازهای جوی رقیق سیارات مقصد (مثل دی‌اکسید کربن مریخ) به عنوان سوخت پیشران را ممکن می‌سازد که نیاز به حمل سوخت برگشت از زمین را حذف می‌کند.
تحریریه ماگ بیت تثبیت پیشرانه‌های پلاسمای بدون الکترود را گشودن دروازه واقعی میان‌سیاره‌ای تمدن بشری می‌داند؛ نقطه‌ای که در آن انسان از اسارت در مدار پایینی زمین رها شده و سراسر منظومه خورشیدی را به قلمرو حیات و دانایی خویش ضمیمه خواهد کرد.
بیشتر از علم و فضا
