การขับเคลื่อนอวกาศยานด้วยพลังงานไฟฟ้า

รายละเอียด: หมวดหลัก: กองลาดตระเวนและเฝ้าตรวจทางอวกาศ; หมวด: บทความเทคโนโลยีอวกาศ; ฮิต: 11827

เป็นระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้า (Electrodynamic) เป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีซึ่งจะถูกใช้กับอวกาศยานในปัจจุบันหรือในอนาคต เป็นอีกหนึ่งทางเลือก ปัจจุบันมีตัวอย่างงานวิจัยและกำลังพัฒนา
อยู่ ๓ แบบ คือ

๑. พลังไอออนไฟฟ้าสถิต Electrostatic ion Propulsion

๒. พลังสนามแม่เหล็กไฟฟ้า Electromagnetic Propulsion

๓. พลังงานรังสีไอโซโทบ Radioisotope Position Propulsion

รูปที่ ๑ - การทดสอบเครื่องยนต์พลังไอออนไฟฟ้าสถิตของบริษัท NEXIS ในปี ค.ศ.๒๐๐๕

๑. Electrostatic ion Propulsion หรือ Ion drive แรงขับเคลื่อนหรือแรงผลักดันเกิดจากการใช้พลังงานไฟฟ้ากำลังสูงเร่งไอออน ionize ของกาชที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า จากนั้นแยกอิเล็กตรอนออกจากเปลือกอะตอมของก๊าซจนเหลือเฉพาะกลุ่มไอออนบวก แล้วทำการเร่งไอออนบวกด้วยไฟฟ้าแรงสูงพร้อมสนามไฟฟ้าทำให้เกิดแรงขับเคลื่อน มีงานวิจัยพัฒนา ๓ แบบดังนี้
๑.๑ Grid Electrostatic ion thruster
๑.๒ Hall effect thrusters
๑.๓ Field – emission electric propulsion

๑.๑ Gridded electrostatic ion propulsion thrusters เครื่องขับดันไอออนไฟฟ้าสถิตแบบกริด ส่วนมากใช้ ก๊าซซีนอน เป็นตัวขับเคลื่อนที่เป็นก๊าซเริ่มต้น มันจะแตกตัวเป็นไอออนโดยการระดมยิงด้วยอิเล็กตรอนที่มีพลังสูง โดยขณะที่พลังงานถูกถ่ายโอน จะปล่อยวาเลนซอิเล็กตรอน (ไอออนประจุลบ) ออกจากอะตอมของก๊าซจนเกิดเป็นแรงขับเคลื่อน อิเล็กตรอนเหล่านี้เกิดจากไส้หลอดแคโทดที่อุณหภูมิร้อน และถูกเร่งผ่านความต่างศักย์ที่มีต่อขั้วบวก ไอออนจะถูกเร่งโดยความต่างศักย์ระหว่างกริดแรกและกริดที่สอง (เรียกว่ากริดหน้าจอและกริดตัวเร่งตามลำดับ) ไปยังพลังงานไอออนสุดท้ายของ (โดยทั่วไป) ๑ - ๒ keV ซึ่งสร้างแรงผลักดัน

รูปที่ ๒ แสดงการทำงานเครื่องขับดันไอออนไฟฟ้าสถิตแบบกริต (แบบจุดแม่เหล็กหลายขั้ว)

เครื่องขับดันไอออนจะปล่อยลำแสงซีนอนไอออนที่มีประจุบวก เพื่อป้องกันไม่ให้ยานอวกาศสะสมประจุแคโทดอีกอันหนึ่งจะถูกวางไว้ใกล้เครื่องยนต์เพื่อปล่อยอิเล็กตรอนเข้าไปในลำอิออนโดยปล่อยให้จรวดเป็นกลางทางไฟฟ้า สิ่งนี้จะป้องกันไม่ให้ลำแสงของไอออนถูกดึงดูด (และกลับมา) ไปที่ยานอวกาศซึ่งจะยกเลิกแรงผลัก

๑.๒ Hall effect thrusters เครื่องขับดันฮอลเอฟเฟกจะเร่งไอออนโดยใช้ศักย์ไฟฟ้าระหว่างแอโนดทรงกระบอกและพลาสมาที่มีประจุลบ ซึ่งก่อตัวเป็นแคโทด ส่วนของจรวดขับดัน (โดยทั่วไปคือซีนอน) จะถูกนำมาใช้ใกล้กับขั้วบวกซึ่งมันจะแตกตัวเป็นไอออนและไหลไปยังขั้วลบ ไอออนจะเร่งความเร็วเข้าหาและผ่านมัน
รับอิเล็กตรอนขณะที่พวกมันออกไปเพื่อทำให้ลำแสงเป็นกลางและทำให้ทรัสเตอร์ปล่อยแรงขับความเร็วสูง

รูปที่ ๓ แผนผังการทำงานของ Hall-effect Thruster รูปที่ ๔ Hall – Effect Thruster แบบ SPT ของรัสเซีย

รูปที่ ๕ แสดงการทดสอบ Hall thruster ในการปฏิบัติการที่ NASA jet Propulation Laboratory

ขั้วบวกอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของท่อทรงกระบอก ตรงกลางเป็นเหล็กแหลมที่เป็นแผลเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กเรเดียลระหว่างมันกับท่อโดยรอบ ไอออนส่วนใหญ่ไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กเนื่องจากมีมวลมากเกินไป อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นใกล้กับจุดสิ้นสุดของสไปค์เพื่อสร้างแคโทดจะถูกกักไว้โดยสนามแม่เหล็กและถูกกักไว้โดยแรงดึงดูดของมันไปยังขั้วบวก อิเล็กตรอนบางตัวหมุนวนเข้าหาขั้วบวกและไหลเวียนรอบ ๆ แกนในกระแสฮอลล์ เมื่อพวกมันไปถึงขั้วบวกพวกมันจะกระทบกับจรวดขับดันที่ไม่มีประจุและทำให้มันแตกตัวเป็นไอออนก่อนที่จะถึงขั้วบวกและปิดวงจรในที่สุด

Hall - Effect Thurster HET ในยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วย (HET) เป็นชนิดของทรัสไอออนที่จรวดจะเร่งโดยสนามไฟฟ้า ฮอลล์เอฟเฟกต์ขับดันใช้สนามแม่เหล็กเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของอิเล็กตรอนจากนั้นใช้เพื่อทำให้ไอออนไนซ์ขับเคลื่อนเร่งไอออนอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างแรงผลักและทำให้ไอออนเป็นกลาง Hall-effect thrusters (อ้างอิงจากการค้นพบโดย Edwin Hall ) บางครั้งเรียกว่า Hall thrusters
หรือ Hall-current thrusters. ฮอลล์เอฟเฟกต์ทรัสเตอร์จัดอยู่ในประเภทเทคโนโลยีการขับเคลื่อนอวกาศที่มีแรงกระตุ้นเฉพาะปานกลาง (๑,๖๐๐ วินาที) และได้รับประโยชน์จากการวิจัยเชิงทฤษฎีและการทดลองจำนวนมากตั้งแต่ทศวรรษ ค.ศ.๑๙๖๐

รูปที่ ๖ แสดงการทำงาน Ion Thruster และ Hall – effect Thurster

๑.๓ Field-emission electric propulsion (FEEP) thruster การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแบบปล่อยสนามใช้ Caesium หรือ Indium เป็นตัวขับเคลื่อน การออกแบบประกอบด้วยถังเก็บขนาดเล็กที่เก็บโลหะเหลวท่อแคบหรือระบบแผ่นขนานที่ของเหลวไหลผ่านและตัวเร่ง (วงแหวนหรือรูรับแสงที่ยาวในแผ่นโลหะ) ประมาณหนึ่งมิลลิเมตรเลยปลายท่อ ซีเซียม อินเดียม และไอออน ถูกนำมาใช้เนื่องจากมีน้ำหนักอะตอมสูงศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนต่ำและจุดหลอมเหลวต่ำ เมื่อโลหะเหลวถึงจุดสิ้นสุดของท่อสนามไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างตัวปล่อยและตัวเร่งความเร็วจะทำให้พื้นผิวของเหลวเปลี่ยนรูปเป็นชุดของ cusps ที่ยื่นออกมาหรือ กรวยเทย์เลอร์

รูปที่ ๗ อธิบายการทำงาน Field-emission electric propulsion (FEEP)

๒. Electromagnetic propulsion thrusters จรวดขับเคลื่อนพลังงานสนามแม่เหล็ก
๒.๑ Pulse Insructive thrusters
๒.๒ Magnitoplasmadynamic thruster
๒.๓ Electrodless plasma

๒.๑ Pulse Inductive thrusters แรงขับเคลื่อนพลาสม่า โดยใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในแนวตั้งฉากเพื่อเร่งใบพัดที่ไม่มีอิเล็กโทรด

รูปที่ ๘ ภาพหน้าตัดของทรัสเตอร์เหนี่ยวนำแบบพัลชิ่ง ก๊าซจะถูกทำให้พองเข้าด้านในผ่านหัวฉีดตรงกลางไปยังขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแบนซึ่งจะแตกตัวเป็นไอออนพลาสม่าสีชมพู ถูกเร่งไปทางด้านหลังด้วยแรงลอเรนซ์

๒.๒ Magnetoplasmadynamic propulsion thruster (MPD) เครื่องขับดันแบบแมกนิโตพลาสม่าไดนามิก (MPD) และเครื่องขับดันแบบลิเธี่ยมลอเรนซ์ (LiFA) ใช้แนวคิดเดียวกันโดยประมาณ ทรัสเตอร์ LiLFA สร้างบน MPD ทรัสเตอร์ ไฮโดรเจนอาร์กอนแอมโมเนียและไนโตรเจนสามารถใช้เป็นตัวขับเคลื่อนได้ ในรูปแบบหนึ่งก๊าซโดยรอบในวงโคจรต่ำของโลก (LEO) สามารถใช้เป็นตัวขับเคลื่อนได้ ก๊าซจะเข้าสู่ห้องหลักซึ่งจะแตกตัวเป็นไอออนในพลาสมาโดยสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและแคโทด จากนั้นพลาสมานี้ จะนำไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและแคโทดปิดวงจร กระแสใหม่นี้สร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ ขั้วลบซึ่งข้ามกับสนามไฟฟ้าด้วยเหตุนี้จึงทำให้พลาสมาเร่งขึ้นเนื่องจากแรงลอเรนซ์

ทรัสเตอร์ LiLFA ใช้แนวคิดทั่วไปเช่นเดียวกับ MPD thruster โดยมีความแตกต่างหลักสองประการ ประการแรก LiLFA ใช้ไอลิเธียมซึ่งสามารถเก็บไว้เป็นของแข็งได้ ความแตกต่างอื่น ๆ คือแคโทดเดี่ยวจะถูกแทนที่ด้วยแท่งแคโทดขนาดเล็กหลายแท่งบรรจุในท่อแคโทดกลวง แคโทด MPD สึกกร่อนได้ง่ายเนื่องจากสัมผัสกับพลาสมาอย่างต่อเนื่อง ในทรัสเตอร์ LiLFA ไอลิเธียมจะถูกฉีดเข้าไปในแคโทดกลวงและจะไม่แตกตัวเป็นไอออนในรูปพลาสมาของมัน / กัดกร่อนแท่งแคโทดจนกว่าจะออกจากท่อ จากนั้นพลาสมาจะถูกเร่งโดยใช้แรงลอเรนซ์เดียวกัน

๒.๓ Electrodless plasma Propulsion แรงขับดันพลังพลาสม่าแบบไม่ใช้พลังไฟฟ้า

พลาสม่าทรัสเตอร์แบบไม่ใช้อิเล็กโทรดเป็นเครื่องยนต์ขับเคลื่อนของยานอวกาศในเชิงพาณิชย์ภายใต้ตัวย่อ "E-IMPAcT" สำหรับ "Electrodeless-Ionization Magnetized Ponderomotive Acceleration Thruster" Gregory Emsellem สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ของคณะกรรมาธิการพลังงานปรมาณูชาวฝรั่งเศส Dr Richard Geller และ Dr. Terenzio Consoli สำหรับการผลิตลำแสงพลาสม่าความเร็วสูง

ปัจจุบันทรัสเตอร์พลาสม่าไร้อิเล็กโทรดกำลังได้รับการพัฒนาและปรับให้เข้ากับความต้องการในการขับเคลื่อนของยานอวกาศที่หลากหลายโดย The Elwing Company บริษัท Elwing ก่อตั้งขึ้นในปี 2545 โดย Gregory Emsellem

รูปที่ ๑๐ การทำงาน Electrodless plasma Propulsion

๓. Radioisotope Positron Propulsion ไอโซโทบรังสีโพไซตรอน ในปัจจุบันบทความศิลปะระบบขับเคลื่อนในอวกาศ การใช้สารเคมีหรือไอออนขับเคลื่อน ไม่เพียงพอต่อความต้องการของภารกิจอวกาศในศตวรรษที่ ๒๑ แล้ว Antimatter (ปฏิสสาร) เป็นกลไกผู้เข้าแข่งขันใหม่ในระบบขับเคลื่อน สามารถส่งมนุษย์และ/หรือระบบหุ่นยนต์ โดยลดเวลาการขนส่งลงอย่างมาก ทำให้ผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์รวดเร็วขึ้น สามารถเพิ่มน้ำหนักบรรทุกได้มากขึ้น ทำให้บรรทุกเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพได้มากขึ้น ขนลูกเรือได้มากขึ้น ลดต้นทุนภารกิจโดยรวม น่าเสียดายที่แนวคิดการขับเคลื่อนก่อนหน้านี้ขึ้นอยู่กับปริมาณปฏิสสารที่ไม่เป็นจริง ขนาดปริมาณของคำสั่งห่างจากความสามารถในระยะใกล้

เป้าหมายของความพยายามนี้ คือการตรวจสอบความเป็นไปได้ของไอโซโทปรังสีไอโซโทปโพซิตรอน (TRL ๑ - ๒) radioisotope positron catalyzed fusion propulsion concept เทคโนโลยีการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นแรงบันดาลใจและผลักดันให้เกิดนวัตกรรมต่อไป ภายในชุมชนการบินและอวกาศสามารถนำไปใช้กับภารกิจที่เกี่ยวข้องได้ นั่นคือการดึงดาวเคราะห์น้อยทั้งดวงเข้าสู่อวกาศแปลเป็นจำนวนมากซึ่งเป็นภารกิจที่มีผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์และการค้าอย่างมาก (เช่นการทำเหมืองดาวเคราะห์น้อย) แนวคิดในการควบคุมทรัพยากรจากดาวเคราะห์น้อยย้อนกลับไปมากกว่าศตวรรษที่ Tsiolkovsky โดยพื้นฐานแล้วเพื่อให้การขุดดาวเคราะห์น้อยมีความสามารถทางการเงิน ค่าใช้จ่ายของยานอวกาศที่เรียกคืนจะต้องน้อยกว่ามูลค่าที่ได้รับจากดาวเคราะห์น้อย ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยี (เช่นระบบขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพ) ที่ลดมวลและความซับซ้อนของยานอวกาศที่ค้นคืนจะต้องมีความสำคัญเป็นอันดับแรก

รูป ๑๑ กราฟฟิกของแนวคิด Radioisotope Positron Propulsion ไอโซโทบรังสีโพไซตรอน

* Antimatter : ปฏิสสารคือโมเลกุลที่เกิดจากอะตอมซึ่งประกอบด้วยแอนติโปรตอน แอนตินิวตรอนและโพซิตรอน ปฏิสสารที่เสถียรไม่ปรากฏในจักรวาลของเรา

รูปที่ ๑๒ เดือนมีนาคม พ.ศ.๒๕๖๓ Positron Dynamics ได้เสร็จสิ้นการติดตั้งซอร์สใหม่ที่ Berkeley

พวกเขายังคงมีความก้าวหน้าในการทดลองและการออกแบบ Positron Dynamics การหลีกเลี่ยงการแสดงการหยุดปัญหาขนาดใหญ่ในการใช้งานปฏิสสาร

ที่มาของภาพและข้อมูล
๑. Electrically powered spacecraft propulsion https://en.wikipedia.org/wiki/Electrically_powered_spacecraft_propulsion#Ion_and_plasma_drives
๒. รูปที่ ๑๑ Radioisotope Positron Propulsion https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2018_Phase_I_Phase_II/Radioisotope_Positron_Propulsion/
๓. รูปที่ ๑๒ https://www.newsbreak.com/news/1552728284874/positron-dynamics-installed-antimatter-propulsion-related-gear
๔. รูปที่ ๑๐ https://www.semanticscholar.org/paper/Development-of-Electrodeless-Plasma-Thrusters-With-Shinohara-Nishida/f8def19fa41ed260934ce9badde6406a2fb966bd
ผู้แปลและเรียบเรียง เรืออากาศเอกยุทธนา สุพรรณกลาง