Spis treści:
Natknęliśmy się w sieci na pytanie: are ion thrusters real? Spotykane w strategicznych grach i symulatorach osadzonych w kosmosie, napędzające filmowe statki mknące przez kosmos… to jak to jest z tymi “silnikami elektrycznymi na gaz”?
Geneza silnika jonowego
Pierwszym naukowcem, który zaprezentował publicznie pomysł silnika jonowego, był Konstantin Ciołkowski – zrobił to w 1917 roku. Technika była zalecana dla warunków zbliżonych do próżni na dużych wysokościach, ale ciąg został zademonstrowany przy użyciu zjonizowanych strumieni powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym.
Idea pojawiła się w pracy “Wege zur Raumschiffahrt” (Drogi do lotów kosmicznych) Hermanna Obertha opublikowanej w 1923 roku, gdzie wyjaśniał on swoje przemyślenia na temat oszczędności masy napędu elektrycznego, przewidywał jego zastosowanie w napędzie i stabilizacji, a także opowiadał się za elektrostatycznym przyspieszaniem naładowanych gazów. To ten sam autor, który opublikował książkę Menschen im Weltraum (Ludzkość w kosmosie), w której opisał swoje pomysły na kosmiczne teleskopy zwierciadlane, stacje, statki z napędem elektrycznym i skafandry kosmiczne.
Działający pędnik jonowy został zbudowany przez Harolda R. Kaufmana w 1959 roku w obiektach NASA Glenn Research Center. Był podobny do siatkowego elektrostatycznego silnika jonowego, a materiałem pędnym była rtęć. W latach 60. przeprowadzono testy w atmosferze, a w 1964 r. silnik został wysłany w lot suborbitalny na pokładzie Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). Działał on z powodzeniem przez planowane 31 minut przed opadnięciem na Ziemię. Kolejny test odbył się w roku 1970.
Alternatywna konstrukcja, silnik z efektem Halla, był badany niezależnie w USA i ZSRR w latach 50. i 60. Silniki te pracowały na radzieckich satelitach od 1972 roku do końca lat 90-tych. Około 100-200 silników zakończyło misje na radzieckich i rosyjskich satelitach. Radzieckie konstrukcje pędników zostały zaprezentowane na Zachodzie w 1992 roku po tym, jak zespół specjalistów od napędów elektrycznych, przy wsparciu Ballistic Missile Defense Organization, odwiedził radzieckie laboratoria.
Zalety
Silniki jonowe, ukochany napęd pisarzy science fiction, stał się z czasem napędem wybieranym przez naukowców i inżynierów z NASA. Wymienia się dwa rodzaje silników jonowych – elektrostatyczny oraz elektromagnetyczny. Pierwszy korzysta ze zjawiska opisanego prawem Coulomba, a drugi zaprzęga do działania siłę Lorentza. Działają tylko w przestrzeni kosmicznej lub suborbitalnej – stąd pewnie nazwa thruster i podobieństwo do sterów strumieniowych w nautyce, które działają dzięki naporowi wody. Wydajne wykorzystanie energii elektrycznej przez system napędu jonowego pozwala nowoczesnym statkom kosmicznym podróżować dalej, szybciej i taniej niż z wykorzystaniem jakiejkolwiek innej dostępnej technologii napędowej. W przeciwieństwie do silników klasycznych ciąg jest niski, a impuls właściwy wysoki. Rakiety chemiczne wykazują znacznie niższą wydajność paliwową – silniki jonowe nawet powyżej 90%. Obecnie silniki jonowe są używane do utrzymywania satelitów komunikacyjnych we właściwej pozycji względem Ziemi oraz do głównego napędu sond kosmicznych.
W statku kosmicznym może być używanych kilka silników jonowych, ale często używany jest tylko jeden naraz. Statki kosmiczne napędzane przez te silniki mogą osiągać prędkości do 90.000 metrów na sekundę (ponad 200.000 mil na godzinę). Dla porównania promy kosmiczne osiągają prędkość około 18.000 mil na godzinę.
...ale i wady
W przypadku wysokich prędkości maksymalnych silników jonowych trzeba pójść na pewne kompromisy. Jeden z nich to niski ciąg, czyli inaczej niskie przyśpieszenie. Obecne silniki jonowe mogą zapewnić jedynie 0,5 niutona ciągu, co mniej więcej odpowiada sile, jaką można odczuć trzymając w dłoni dziesięć monet o nominale 1 zł. Silniki te muszą być używane w próżni, aby mogły działać na dostępnych poziomach mocy i nie mogą być używane do umieszczania statków w przestrzeni kosmicznej, ponieważ Ziemia próbuje nas przytrzymać – do ucieczki od grawitacji i atmosfery potrzebne są duże siły ciągu.
Aby zrekompensować niski ciąg, silnik jonowy musi działać przez długi czas, aby jednostka osiągnęła swoją maksymalną prędkość. Przyspieszenie trwa przez cały czas lotu, więc niewielkie, stałe ilości ciągu przez długi czas przekładają się na znacznie krótszy czas podróży i mniejsze zużycie paliwa, jeśli miejsce docelowe jest odległe. Wyposażona w jonowy silnik elektrostatyczny bezzałogowa sonda Deep Space 1 wystrzelona w październiku 1998 roku zużyła mniej niż 72 litry paliwa w ciągu ponad 16 000 godzin – oczywiście towarzyszyła jej rakieta nośna, w tym przypadku Delta II. Ale gdy już uda się wynieść jednostkę wyposażoną w taki silnik w przestrzeń kosmiczną, to można też wynieść znacznie mniej paliwa, niż mogłoby się wydawać. Dzięki temu można zastosować mniejsze, tańsze rakiety nośne. I tak zrobiliśmy małe koło do zalet.
Napęd, albo energia od Słońca w ruchu ku Słońcu
Wracamy do szkolnej ławki. Na pewno się cieszycie. Trzecie prawo dynamiki Newtona podpowiada, że każda akcja niesie za sobą reakcję. To jak powietrze uciekające z wylotu balonu i napędzające go do przodu. Konwencjonalne rakiety chemiczne spalają paliwo z utleniaczem i tworzą w ten sposób gazowy materiał pędny. Duże ilości gazu wypychane są przy stosunkowo niskich prędkościach, a wówczas para buch i wszystko w ruch. Silnikiem ciekłopaliwowym jest na przykład znany z przedsięwzięć Elona Muska silnik Raptor.
Nowoczesne silniki jonowe wykorzystują gazy obojętne jako materiał pędny, więc nie ma ryzyka eksplozji związanego z napędem chemicznym. Większość silników używa gazu szlachetnego ksenonu, który jest chemicznie obojętny, bezbarwny, bezwonny i bez smaku. Alternatywne możliwości rozważane w silniku jonowym Halla to bizmut, argon czy krypton.
Silniki jonowe oparte na projektach NASA są obecnie używane do utrzymywania co najmniej stu satelitów komunikacyjnych na geosynchronicznej orbicie okołoziemskiej w ich pożądanych lokalizacjach, a trzy silniki jonowe NSTAR, które wykorzystują technologię opracowaną przez Glenn Research Center, umożliwiały sondzie kosmicznej Dawn wystrzelonej w 2007 roku podróż w głąb Układu Słonecznego aż do końca misji w listopadzie 2018 roku.
Przyszłość silników jonowych - kierunki rozwoju
Komercyjne zastosowania napędu elektrycznego rosną ze względu na jego zdolność do przedłużenia żywotności operacyjnej satelitów oraz obniżenia kosztów startu i eksploatacji. W związku z tym NASA jest zaangażowana w prace nad dwoma różnymi pędnikami jonowymi: NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) oraz Annular Engine.
NEXT, wysokiej mocy napęd jonowy zaprojektowany w celu zmniejszenia kosztów misji i czasu podróży, był testowany w sposób ciągły przez 51.000 godzin. To odpowiednik prawie 6 lat pracy, w testach naziemnych – bez awarii. Systemy NEXT mają być wykorzystane do przyszłych misji naukowych NASA. Są też plany pracy nad technologią NEXT, by stworzone z nią napędy mogły być wykorzystywane do zastosowań komercyjnych i obronnych.
Opatentowany przez NASA Glenn Annular Engine ma jeszcze większy potencjał, aby przekroczyć możliwości wydajności systemu napędu jonowego NEXT i innych konstrukcji silników elektrycznych. Silniki oparte na silniku pierścieniowym mogą osiągać bardzo wysokie poziomy mocy i ciągu, pozwalając na wykorzystanie pędników jonowych w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie były stosowane. Celem jest obniżenie kosztu systemu, zmniejszenie jego złożoności oraz poprawa osiągów (wyższa zdolność do przenoszenia ciągu na moc).
Czy silnik jonowy nam się przyda?
Cóż, tak. W dodatku jako środek przeciwdziałania przypadku wystąpienia konkretnej sytuacji kryzysowej. Uwagę ludzkości ostatnio pochłania walka z pewnym wiadomym zagrożeniem, ale istnieją też inne potencjalne zagrożenia. Realna groźba uderzenia asteroidy w Ziemię w przyszłości schodzi na razie na dalszy plan, ale wciąż istnieje.
W 2017 roku naukowcy szacowali, że w Układzie Słonecznym znajduje się 25 000 dużych asteroid, choć do tej pory badania wykryły ich około 8000. To dlatego decydenci NASA uważają, że konieczne jest opracowanie skutecznego planu na wypadek, gdyby bliski Ziemi obiekt mógł nieść zagrożenie dla planety.
Agencje takie jak NASA i ESA pracują nad planami, które mają nas uchronić przed taką katastrofą. I tak też kolejna misja NASA DART (Double Asteroid Redirection Test, z ang. test przekierowania asteroidy) ma wystartować w listopadzie tego roku. Poprzednich prób nie można nazwać pomyślnymi. Miejscem prezentacji ma być asteroida Didymos (65803). Kolizja jest zaplanowana na październik 2022.
Silnik jonowy X3
X3 to potężny pędnik jonowy, który pewnego dnia mógłby napędzać ludzi poza Ziemią. Został pomyślnie przetestowany w drugiej połowie 2017 roku i może zostać wybrany przez NASA jako kluczowy element systemu napędowego dla przyszłych misji na Marsa.
Opiera się na efekcie Halla – to ten rodzaj silnika jonowego, w którym ksenon jest przyspieszany przez pola elektryczne i magnetyczne. Jak już wspomnieliśmy jest bezpieczniejszy i bardziej paliwooszczędny niż silniki chemiczne. Obecnie jednak nadal oferuje stosunkowo niewielki ciąg i przyspieszenie. Dlatego inżynierowie wciąż pracują nad zwiększeniem ich mocy. Konstruktorzy szacują, że ludzka misja na Czerwoną Planetę będzie wymagała systemu napędowego o mocy co najmniej 200kW. Update z końca 2020 roku zamieszczony na blogu Espresso Insight podał następującą specyfikację:
- Typ: silnik jonowy z efektem Halla
- Średnica: 80 cm
- Masa: 230 kg
- Impuls właściwy: 1800-2650 sekund
- Siła/siła ciągu: 5.4 N
- Moc: 100 mW
- Prąd wyładowania: 247 A
- Napięcie wyładowania: 500 V przy szczytowej wydajności
- Materiał pędny: krypton/ksenon
- Żywotność: ponad 50.000 godzin
- Prędkość: 40 km/s
Typy silników jonowych
Warto zapamiętać podstawowy podział na dwa: elektrostatyczne i elektromagnetyczne.
Najbardziej znane silniki jonowe to:
- Elektrostatyczne silniki jonowe i ich różne podtypy, które są w użyciu.
- Elektrostatyczny silnik Halla, który przechodzi ciągłe ulepszenia.
- Elektromagnetyczny silnik HDLT, czyli Helicon Double Layer Thruster. Prototyp, który nie odbył jeszcze lotu w kosmosie. Wykorzystuje plazmę. Chociaż HDLT nie odbył jeszcze lotu w kosmosie, kilka obecnie krążących satelitów wykorzystuje silniki jonowe w taki sam sposób, jaki jest przewidziany dla HDLT.
- Elektromagnetyczny silnik plazmowy o zmiennym impulsie właściwym VASIMR, czyli VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket. W fazie prototypu.
Prototypy silników jonowych powstają także w Polsce. Na zakończenie efekt prac zespołu polskich konstruktorów – KLIMT przetestowany w Holandii, który powstał w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy przy Wojskowej Akademii Technicznej im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie.
