Електрическите двигатели за космически кораби може скоро да направят голям скок благодарение на нов суперкомпютър

Електрическите двигатели се използват все по-често в космическите мисии и в крайна сметка биха могли да заменят двигателите, използващи химически ракети.

Космическите кораби, задвижвани с електрическо задвижване, скоро ще могат да бъдат по-добре защитени от собствените си изгорели газове благодарение на нови суперкомпютърни симулации.

Електрическото задвижване е по-ефективна алтернатива на традиционните химически ракети и се използва все по-често в космическите мисии, като се започне с прототипи на Deep Space 1 на НАСА и SMART-1 на Европейската космическа агенция съответно през 1998 г. и 2003 г., а впоследствие намери приложение във водещи научни мисии като мисиите Dawn и Psyche на НАСА до астероидния пояс. Съществуват дори планове за използване на електрически двигатели в космическата станция Lunar Gateway на НАСА.

Идеята на електрическото задвижване се състои в това, че електрическият ток йонизира (т.е. премахва електрон от) атомите на неутрален газ, като ксенон или криптон, съхранявани на борда на космическия кораб. Процесът на йонизация води до образуване на облак от йони и електрони. След това на принципа, наречен ефект на Хол, се създава електрическо поле, което ускорява йоните и електроните и ги превръща в характерен син шлейф, който излиза от космическия кораб със скорост над 60 000 км/ч (37 000 м/ч). Затова електрическата задвижваща система се нарича още йонен двигател.

Според третия закон за движението на сър Исак Нютон всяко действие има равно и противоположно противодействие. В този смисъл потокът от йони, излизащ от космическия кораб, създава тяга. Набирането на инерция обаче отнема известно време, тъй като, въпреки че се движи с висока скорост, йонният стълб е доста малък. Генерираният импулс не е толкова силен, колкото при химическите ракети, но йонните двигатели се нуждаят от по-малко гориво и следователно от по-малка маса, което намалява разходите за изстрелване, а йонните двигатели не изразходват цялото си гориво толкова бързо, колкото химическите ракети.

Енергията за електромагнитните полета често се осигурява от слънчеви батерии, поради което технологията понякога се нарича слънчево електрическо задвижване. Но за мисии, които са по-далеч от слънцето, където слънчевата светлина е по-слаба, за задвижване на електрическите двигатели може да се използва и ядрена енергия под формата на радиоизотопни термоелектрически генератори (RTG).

Въпреки че електрическото задвижване вече се развива и се използва в различни мисии, то все още не е напълно завършена технология. Един от проблемите по-конкретно е, че йонният шлейф може да повреди космическия кораб. Въпреки че шлейфът е насочен встрани от сондата, електроните в шлейфа могат да се пренасочат, да се движат срещу посоката на движение на шлейфа и да ударят космическия кораб, повреждайки слънчевите батерии, комуникационните антени и всички други открити компоненти. Достатъчно е да се каже, че това никак не е добре за сондата.

„За мисии, които могат да продължат с години, двигателите [с електрическо задвижване] трябва да работят гладко и постоянно през дълги периоди от време“, казва в изявление Чен Куи от Школата за инженерни и приложни науки към Университета на Вирджиния.

Преди да се въведат решения за защита на космическия кораб от тези обратно разпръснати електрони, първо трябва да се разбере тяхното поведение в потока от йонни двигатели, където се намесват Куи и Джоузеф Уанг от Университета на Южна Калифорния. Те са извършили суперкомпютърни симулации на отработените газове от йонен двигател, като са моделирали термодинамичното поведение на електроните и как те влияят върху общите характеристики на шлейфа.

„Тези частици може да са малки, но тяхното движение и енергия играят важна роля в определянето на макроскопичната динамика на шлейфа, изпускан от електрическия двигател“, казва Куи.

Това, което Куи и Уанг откриват, е, че електроните в шлейфа се държат по различен начин в зависимост от температурата и скоростта им.

„Електроните приличат на топчета, събрани в тръба“, казва Куи. „Вътре в лъча електроните са горещи и се движат бързо. Температурата им не се променя много, ако се движим по посока на лъча. Ако обаче „топчетата“ се изтъркалят от средата на тръбата, те започват да се охлаждат. Това охлаждане се случва по-скоро в една конкретна посока – посоката, перпендикулярна на посоката на лъча.“

С други думи, електроните в сърцевината на лъча, които се движат най-бързо, имат повече или по-малко постоянна температура, но тези от външната страна се охлаждат по-бързо, забавят се и се движат извън лъча, като потенциално могат да бъдат обратно разпратени и да ударят космическия кораб.

Сега, когато учените разбират по-добре поведението на електроните в йонния шлейф, те могат да го включат в проектите на бъдещите електрически двигатели, търсейки начини за ограничаване на обратното разпръскване или може би за по-голямо ограничаване на електроните в ядрото на лъча. В крайна сметка това би могло да помогне на мисиите, задвижвани от електрически двигатели, да летят по-далеч и по-дълго, тласкани от нежния син полъх на йонния шлейф.

Надеждите са, че новият специално програмиран суперкомпютър значително ще усъвършенства тази технология и ще станем свидетели на значително усъвършенствани йонни електрически двигатели за космическите кораби.