DESPRE MOTOARELE IONICE

Ion PETRESCU, ŞL Dr. Ing. TMR, UPB

REZUMAT: Lucrarea prezintă pe scurt motoarele ionice actuale (numite împingătoare de ioni) şi noile motoare ionice (prin pulsuri) propuse de autor. Motoarele ionice (împingătoarele ionice, care accelerează ionii pozitivi printr-o diferenţă de potenţial electric) sunt de circa 10 ori mai eficiente decât sistemele clasice bazate pe combustie chimică. Mai putem încă îmbunătăţi eficienţa lor de 10-50 ori dacă utilizăm pulsuri de ioni pozitivi acceleraţi într-un cyclotron montat pe navă; eficienţa mai poate creşte cu uşurinţă de 1000 de ori dacă ionii pozitivi vor fi acceleraţi într-un synchrotron de energie foarte ridicată, synchrocyclotron sau isochronous cyclotron (1-100 GeV). Viitoarele motoare ionice vor avea obligatoriu un accelerator de particule circular (de înaltă sau foarte înaltă energie). În acest fel se poate creşte viteza şi autonomia navei utilizând o cantitate mai mică de combustibil şi de energie. Se poate utiliza deasemenea şi radiaţie synchrotronică (lumină synchrotronică, fascicole de mare intensitate), cum ar fi radiaţiile de mare intensitate (razele X sau razele Gamma). În acest caz va fi un motor cu fascicule (radiaţii) energetice şi nu unul ionic, iar el va folosi numai energie nu şi combustibil (energie care va putea fi solară, nucleară de la un reactor montat pe navă, însă cel mai sigur mixtă adică nucleară şi solară) în acest fel eliminându-se necesitatea utilizării şi transportului de combustibil. Împingătoarele ionice [1] Despre împingătoarele ionice Un împingător ionic este o formă de propulsie electrică utilizată pentru propulsia navelor spaţiale care crează împingere prin accelerarea ionilor. Împingătoarele ionice se clasifică după modul în care ele accelerează ionii, utilizând forţa electrostatică sau pe cea electromagnetică. Împingătoarele de ioni electrostatice utilizează forţa Culombiană şi accelerează ionii în direcţia câmpului electric. Împingătoarele de ioni electromagnetice utilizează forţa Lorentz pentru a accelera ionii. A se observa că termenul "împingător de ioni" desemnează în mod frecvent doar împingătoarele de ioni electrostatice (Culombiene) sau pe cele cu griduri. Împingerea creată în împingătoarele ionice este foarte mică comparativ cu cea convenţională a rachetelor chimice, dar cu ajutorul lor se obţine un impuls specific foarte ridicat, sau un randament al propulsiei foarte ridicat. În ciuda puterii reduse necesare, având în vedere puterea specifică a sursei de alimentare, şi cerinţa unui mediu lipsit de alte particule ionizate, propulsia prin împingătorul ionic pentru moment este practicabilă doar în spaţiul cosmic. Primele experimente cu împingători ionici au fost efectuate de Robert Goddard la Clark College în 1916-1917. Tehnica de utilizat recomanda vid la mare altitudine, dar împingerea (forţa de tracţiune) a fost demonstrată cu fluxuri de aer ionizat la presiunea atmosferică. Ideea a apărut din nou în Hermann Oberth's "Wege zur Raumschiffahrt” (Modalităţi de călătorii spaţiale), publicată în 1923. Un împingător ionic funcţional a fost construit de către Harold R. Kaufman abia în 1959 la NASA. Era similar designului general al împingătorului ionic electrostatic gridat cu mercur drept combustibil. Testele suborbitale ale motorului au durat din 1960 până în 1964; motorul a fost trimis într-un zbor suborbital la bordul lui „Electric Space Rocket Test 1” (SERT 1). Acesta a funcţionat cu succes pentru cele 31 minute planificate înainte de a cădea înapoi pe Pământ.

Împingător de tip efect Hall Împingătorul de tip efect Hall a fost studiat concomitent în Statele Unite şi în USSR în anii 1950-1960. Oricum, conceptul unui împingător Hall a fost dezvoltat doar într-un eficient dispozitiv de propulsie în fosta Uniune Sovietică, întrucât în SUA, oamenii de ştiinţă se canalizaseră în schimb pe dezvoltarea împingătoarelor gridate. Împingătoare Hall au fost utilizate pe sateliţi sovietici din 1972. Din 1990 ele au mai fost utilizate doar pentru stabilizarea sateliţilor pe direcţiile nord-sud şi est-vest. Circa 100 200 motoare au finalizat misiunea lor de pe sateliţi sovietici şi ruşi, până la sfârşitul anilor 1990. Designul împingătoarelor sovietice a fost introdus în vest în 1992 după ce o echipă de specialişti în propulsii electrice, cu sprijinul Organizaţiei Rachetelor Balistice de Apărare, a vizitat laboratoarele sovietice. Împingătoarele ionice utilizează fascicule de ioni (atomi or molecule încărcate electric) pentru a produce împingere (reacţiune) în acord cu a treia lege mecanică a lui Newton. Metoda de accelerare a ionilor este diferită, dar toate designele au avantajul raportului sarcină/masă al ionilor. Acest raport înseamnă că un potenţial relativ mic poate creea viteze foarte mari de evacuare. Acest lucru reduce cantitatea de masă de reacţie sau combustibil necesar, dar creşte cantitatea de putere specifică necesară comparativ cu rachetele chimice. Împingătoarele ionice sunt capabile să atingă impulsuri specifice extrem de ridicate. Dezavantajul unei forţe de tracţiune mici realizate se manifestă şi printr-o acceleraţie scăzută a vehiculului spaţial deoarece cantitatea de putere electrică pe unitate este corelată direct cu cantitatea de putere dată. Această împingere scăzută face ca împingătoarele de ioni să fie inutilizabile la lansarea navelor pe orbită, ele fiind în schimb ideale pentru propulsia navei în spaţiul cosmic. Împingătoarele de ioni de tip Hall accelerează ionii cu ajutorul unui potenţial electric menţinut între un anod cilindric şi plasma încărcată negativ care reprezintă catodul. Carburantul (de obicei gaz xenon sau bismut) este introdus aproape de anod, unde începe să fie ionizat, şi ionii sunt atraşi spre catod, ei accelerând spre şi prin el, culegînd electroni care neutralizează fasciculul şi părăsesc împingătorul la o viteză ridicată. Anodul se găseşte la capătul unui tub cilindric, şi în centru este un cui care este menit să producă un câmp magnetic radial între el şi tubul înconjurător. Ionii sunt în mare măsură neafectaţi de către câmpul magnetic, deoarece ei sunt prea masivi comparativ cu electronii. Dealtfel, electronii produşi chiar lângă sfârşitul cuiului sunt mult mai afectaţi şi sunt prinşi de câmpul magnetic şi frânaţi (ţinuţi în loc faţă de atracţia lor către anod). Unii electroni formează o spirală înspre anod, circulând în jurul cuiului într-un curent de tip efect Hall. Înainte de a atinge anodul ei lovesc combustibilul neîncărcat (fără sarcină) şi îl ionizează, după care atingând anodul în final închid circuitul. Împingătoarele ionice electrostatice cu grile Împingătoarele ionice gridate electrostatice utilizează de obicei gaz xenon. Acest gaz nu are sarcină şi se ionizează prin bombardarea lui cu electroni energizaţi. Aceşti electroni pot proveni de la un filament (catod) încins şi sunt acceleraţi în câmpul electric de la catod la anod (împingător ionic de tip Kaufman). Alternativ, electronii pot fi acceleraţi de un câmp electric oscilant indus de un câmp magnetic alternativ al unei bobine, care produce o descărcare autosusţinută nemai fiind vorba de prezenţa vreunui catod (rezultă un împingător ionic de tip radiofrecvenţă). Ionii încărcaţi pozitiv sunt extraşi de un sistem de extracţie constând în 2 sau 3 grile cu multi-deschideri. După introducerea sistemului gridat (reţelei) printr-o teacă plasmatică

ionii sunt acceleraţi datorită diferenţei de potenţial dintre prima şi a doua reţea (sistem numit ecran şi accelerator grid) către valoarea energetică finală a unui ion de 1-2 keV (în mod obijnuit), generând astfel forţa de tracţiune. Împingătoarele ionice emit un fascicol format doar din ioni pozitivi de xenon. Pentru a evita încărcarea cu sarcină a navei spaţiale un alt catod, amplasat lângă motor, emite electroni adiţionali (în esenţă curentul electronic este similar celui ionic) în fasciculul ionic. Dealtfel acest lucru previne ca fascicolul ionic să nu se întoarcă spre navă şi să anuleze astfel forţa de tracţiune (împingerea).

Cercetări despre împingătoarele ionice electrostatice gridate (trecut/prezent): NASA Solar electric propulsion Technology Application Readiness (NSTAR) NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS) High Power Electric Propulsion (HiPEP) EADS Radio-Frequency Ion Thruster (RIT) Dual-Stage 4-Grid (DS4G)

Propulsia electrică prin emisia de câmp Împingătoarele cu propulsie electrică prin emisie de câmp (FEEP) utilizează un sistem foarte simplu de accelerare a ionilor de metal lichid pentru a crea împingere. Cele mai multe designuri utilizează fie cesiu fie indiu pe post de combustibil. Designul constă într-un mic rezervor de combustibil care stochează metalul lichid, o fantă foarte mică prin care lichidul pluteşte, şi apoi inelul accelerator. Cesiu şi indiu sunt utilizate datorită masei lor atomice ridicate, potenţialului scăzut de ionizare, şi punctelor de topire scăzute. Odată ce metalul lichid ajunge prin interiorul fantei în emiţător, un câmp electric aplicat între emiţător şi inelul de accelerare face ca metalul lichid să devină instabil şi să se ionizeze. Acest lucru crează un ion pozitiv, care poate apoi să fie accelerat în câmpul electric creat între emitor şi inelul de accelerare. Aceşti ioni pozitivi sunt apoi neutralizaţi de o sursă externă de electroni cu scopul de a preveni încărcarea carenei navei spaţiale. Împingătoarele cu pulsuri induse Împingătoarele inductive prin pulsuri (PIT) folosesc pulsuri de împingere în loc de o forţă de tracţiune (împingere) continuă, şi au abilitatea de a funcţiona la nivele energetice ridicate, de ordinul megawaţilor (MW). PIT constă într-un rulou mare turnantă care încercuieşte un tub în formă de con ce emite gaze cu carburant. Amoniacul este un gaz utilizat de regulă în motoarele PIT. Pentru fiecare puls de împingere PITul donează, o sarcină mare care trece întâi într-un grup de condensatori situat în spatele bobinei şi este apoi eliberată. Se generează astfel un curent care se mişcă circular. Apoi curentul crează un câmp magnetic în direcţie radială spre exterior (Br), care la rândul lui generează un curent în gazul amoniac care tocmai a fost eliberat în direcţia opusă curentului original. Acest curent opus ionizează amoniacul şi ionii încărcaţi pozitiv sunt acceleraţi departe de motorul PIT datorită câmpului electric încrucişat cu cel magnetic Br, care se datorează forţei Lorentz. Magnetoplasmadynamic Împingătoarele de tip magnetoplasmadynamic (MPD) şi cele cu acceleratoare cu litium utilizând forţa Lorentz (LiLFA) utilizează de regulă aceeaşi idee cu împingătoarele LiLFA clădite pe împingătoarele MPD. Hidrogenul, argonul, amoniacul, şi nitrogenul gaz pot fi

folosite pe post de combustibil. Gazul mai întâi intră în camera principală unde este ionizat în plasmă de câmpul electric dintre anod şi catod. Această plasmă apoi conduce electricitatea între anod şi catod. Noul curent crează un câmp magnetic în jurul catodului care traversează cu câmpul electric, accelerând astfel plasma datorită forţei Lorentz. Împingătoarele LiLFA utilizează acelaşi principiu general ca şi împingătorul MPD, cu excepţia a două diferenţe. Prima diferenţă e că LiLFA foloseşte vapori de litium, care au avantajul de a se putea stoca în stare solidă. Cealaltă diferenţă constă în faptul că catodul este înlocuit prin multiple catoade mai mici (tije împachetate într-un tub catodic vidat). Catodul la împingătorul MPD se corodează uşor datorită contactului permanent cu plasma. În împingătorul LiLFA vaporii de litiu sunt injectaţi în catodul vidat şi nu se ionizează la forma sa de plasmă până la ieşirea din tub. Plasma este apoi accelerată utilizând aceeaşi forţă Lorentz. Împingătoarele plasmatice fără electrozi Împingătoarele plasmatice fără electrozi au două trăsături unice; înlăturarea electrozilor anodic şi catodic şi capacitatea de a accelera motorul. Înlăturarea electrozilor elimină factorul de eroziune care limitează timpul de viaţă la alte tipuri de împingătoare ionice. Gazul neutru este mai întâi ionizat de unde electromagnetice iar apoi transferat unei alte camere unde este accelerat de un dual oscilant câmp electric şi magnetic, cunoscut deasemenea ca forţa ponderomotivă. Această separaţie între stadiile de ionizare şi accelerare îi atribuie motorului abilitatea de a accelera viteza debitului de carburant, care apoi schimbă magnitudinea de împingere şi valorile impulsului specific [1]. Micro împingător cu plasmă În figura 1 se prezintă „Un micro împingător plasmatic” schema şi prototipul [2].

Fig. 1. Micro împingător plasmatic, schema şi prototipul

Motorul HiPEP Puterea motoarelor ionice constă în microunde Un puternic nou sistem de propulsie ionică a fost cu succes testat (la sol) de NASA. Motorul ionic cu propulsie electrică de mare putere marchează procesul primei etape măsurabile pentru ambiţiosul proiect Prometeu, de 3 miliarde dolari. Motorul HiPEP reprezintă prima tehnologie testată a unei propulsii cu potenţial de putere şi longevitate pentru împingătoarele spaţiale care vor putea merge departe, atingând Jupiter fără asistenţă gravitaţională din partea altor planete. Se vor uşura manevrele din jurul planetelor şi va putea creşte semnificativ viteza de accelerare a navelor spaţiale. Lansările nu vor mai depinde ca până acum de anumite perioade preferenţiale (bazate pe alinierea planetelor). Un pas al proiectelor Prometeu, numit „Nuclear Systems Initiative” este lansarea unei nave spaţiale spre Jupiter până în 2011. Zborul va dura minim 8 ani.

Secretul motorului HiPEP constă într-o viteză mare de eşapament, datorată unei metode de producere a ionilor bazată pe microunde, mult mai performantă decât tehnologiile actuale. Navele spaţiale cu motoare ionice sunt net superioare celor care ard combustibil chimic. Aceasta deoarece motoarele ionice produc mai multă energie pentru o cantitate dată de combustibil, şi au un comportament mai normal (mai sigur) la evacuarea jetului propulsor. „Jupiter este o ţintă imposibil de atins utilizând un sistem chimic, clasic”, spune John Foster, unul dintre principalii creatori ai motoarelor ionice de la NASA, centrul de cercetări Glenn din Cleveland, Ohio. Motorul HiPEP diferă faţă de versiunile anterioare prin puterea sa, datorată utilizării unei combinaţii de microunde şi magneţi rotitori care generează ionii de xenon. Folosirea microundelor reduce semnificativ uzura pe motor, evitând orice contact între ionii rapizi şi sursa de electroni. Fisiunea nucleară Un vânător de asteroizi japonez deja utilizează tehnologii bazate pe microunde pentru a produce ionii împingători. Motorul HiPEP este capabil în prezent să genereze o putere de 12 kilowaţi la ieşire dar misiunea spre Jupiter va avea minim 50 kw, utilizând motorul ionic rectangular. Cu toate acestea, alţi cercetători de la „NASA Jet Propulsion Laboratory” din Pasadena, California, lucrează la un motor ionic cilindric de mare putere, de asemenea, pentru a fi încercat pe proiectul Prometeu. Dar „Newhouse” constată că construirea unei puternice şi de lungă durată motorizări ionice este doar "una din piesele de care avem nevoie pentru a ajunge la Jupiter". Energia electrică necesară trebuie asigurată de un reactor nuclear cu fisiune. Această parte din proiectul Prometeu abia începe, cu considerente privind siguranţa şi miniaturizarea reactorului atomic cât şi alegerea combustibilului, ce au încă nevoie să fie decise. Noi motoare ionice sau cu fascicule energetice Prin această lucrare autorul doreşte să propună un nou motor ionic bazat pe pulsuri de ioni pozitivi de foarte înaltă energie, sau pulsuri de fascicole energetice cu energii extrem de ridicate (de exemplu radiaţii X, sau gama). Caracteristica principală a acestor noi motorizări este utilizarea unor energii extrem de ridicate ale fascicolelor în pulsuri de la ieşirea din motor. Aceste energii sunt obţinute prin trecerea particulelor printr-un accelerator circular, ori unul liniar modern de mare putere (LINAC), sau printr-o combinaţie. Se vor utiliza acceleratoare similare celor statice, utilizate astăzi în fizică (synchrotron, synchrocyclotron sau isochronous cyclotron). Motorul ionic (împingătorul ionic, care accelerează ionii pozitivi printr-o diferenţă de potenţial electric) este de circa 10 ori mai eficient decât sistemele clasice bazate pe combustie chimică. Mai putem îmbunătăţi eficienţa motorului de încă 10-50 ori dacă utilizăm ioni pozitivi acceleraţi într-un cyclotron montat pe navă; eficienţa poate creşte uşor de 1000 de ori dacă ionii pozitivi vor fi acceleraţi într-un synchrotron de foarte mare putere, un synchrocyclotron sau un isochronous cyclotron (1-100 GeV). Viitoarele motoare ionice vor avea obligatoriu un accelerator de particule de foarte mare putere (vezi figura 3). Dificultăţile specifice proiectării nu vor întârzia să apară dar ele vor trebui depăşite pas cu pas. Putem astfel să creştem viteza (inclusiv viteza de accelerare) şi autonomia navei utilizând o cantitate mai mică de combustibil. Se va putea folosi şi radiaţie synchrotronică

(lumină synchrotronică, fascicule de înaltă intensitate), cum ar fi (razele X sau radiaţiile Gama) de asemenea. În acest caz se va vorbi de un motor cu radiaţii (vezi figura 2). Un accelerator de particule liniar (LINAC) este un dispozitiv electric pentru accelerarea particulelor subatomice. Recent uriaşul clasic synchrotron a fost redus la un inel (tor). Designul lui depinde de tipul de particule accelerate: electroni, protoni sau ioni. Ne propunem să utilizăm un LINAC uriaş la ieşirea din synchrotron (obligatoriu când accelerăm electroni pentru a nu se pierde energie prin emisia prematură de fotoni (figurile 2 şi 3). Se poate folosi un micuţ LINAC urmat de un ring de accelerare în formă de stadion la intrarea în synchrotron pentru preaccelerarea particulelor (fig. 2) şi un LINAC normal la ieşirea din synchrotron. Pot fi utilizate mai multe LINACuri la ieşire (fig. 2).

© 2008 Florian Ion TIBERIU-PETRESCU

Fig. 2. Synchrotron de mare energie Fig. 3. Prototipuri de acceleratoare la nave

Concluzii Împingătorul ionic are două avantaje majore comparativ cu combustia chimică: impulsul şi energia specifică pe unitatea de combustibil folosit sunt mult mai mari şi putem astfel atinge viteze şi autonomii ale navei mult mai ridicate; dar el are şi două mari dezavantaje: forţa şi acceleraţia generate sunt foarte mici, astfel încât nu putem învinge nici rezistenţele la înaintarea prin aer (forţele de frecare cu atmosfera), şi nu putem decola sau ateriza cu acest motor (fiind necesar un motor suplimentar). Fucţionarea în spaţiul cosmic este posibilă dar numai cu accelerări ale navei foarte mici. Crescând în continuare energia particulelor evacuate, creştem şi forţele şi acceleraţiile realizate de navă (creşterea energetică necesară a unei particule va fi foarte mare ajungându-se la 100 PeV-1000 PeV, ea făcându-se în viitor numai cu acceleratoare moderne circulare-toroidale sau liniare-LINAC; dacă se va realiza concomitent şi o creştere corespunzătoare a fluxului de particule, prin diverse metode şi prin mărirea diametrului secţiunii torului, energia necesară pe particulă va scădea la valorile 10 GeV-10 TeV, sau chiar mai mult). Consecinţa imediată a ceşterii energiei pe particulă şi a fluxului de particule (creşterea numărului de particule pe un puls şi sau creşterea frecvenţei pulsurilor emise de accelerator) este creşterea vitezei navei şi a autonomiei ei, creşterea acceleraţiei şi a manevrabilităţii navei care va putea decola sau ateriza direct. BIBLIOGRAFIE [1] Wikipedia, the free encyclopedia, net, [2] Dan Tanna, Technology today, edit on 10-6-2008, a net Link.