یک فضاپیما درست مثل هر وسیله نقلیه‌ای برای حرکت نیازمند سیستم پیشرانش یا همان موتور است. مشخصا با موتورهایی که طراحی آنها مربوط به بیش از نیم قرن پیش است، نمی‌توان یک فضاپیما با توانایی انجام سفرهای فضایی طولانی مدت به دوردست‌ترین نقاط فضای بیرونی ساخت. همین مساله دلیلی بود که از مدت‌ها پیش دانشمندان و مهندسان فضایی به فکر اختراع موتورهایی با طراحی جدید و قابلیت‌های خاص افتادند. 

موتورهای متعارف شیمیایی یا راکتی، همان موتورهایی که مدت‌هاست درموشک‌ها و هواگردها به کار می‌روند، نمی‌توانند برای کاربردهای فضایی با اهداف بلندپروازانه، قابل اطمینان باشند. اساس کار این موتورها سوزاندن سوخت و شتاب گرفتن در نتیجه خروج گازهای ناشی از سوخت است. درحالی که در ایده‌های جدید اساس کار کاملا متفاوت است.

نوعی موتور الکتریکی

در حالت کلی موتورهای الکتریکی به سه نوع الکتروگرمایی، الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی تقسیم می‌شوند. موتورهای یونی نیز نوع خاصی از موتورهای الکتریکی دسته الکترواستاتیکی هستند.

موتورهای یونی این قابلیت را دارند که فضاپیما را تا سرعت بیش از ۹۰۰۰ متر برثانیه(بیش از 300000 کیلومتر برساعت)پیش ببرند. برای مقایسه با موتورهای راکتی سایر فضاپیماها باید گفت به عنوان مثال شاتل فضایی می‌توانست حداکثر به سرعت نزدیک به 29000 کیلومتر بر ساعت برسد. یعنی سرعت مورد انتظار در موتورهای یونی ۱۰۰ برابر بیشتر است.

البته با وجود افزایش سرعت، مقدار نیروی پیشران موتور در این نوع خاص کمتر می‌شود. موتورهای یونی جدید می‌توانند نیروی پیشرانی حدود نیم نیوتن ایجاد کنند. این مقدار که با نیرویی که شما هنگام بلند کردن یک خودکار احساس می‌کنید برابر است. به خاطر این مقدار نیروی پایین، موتورهای یونی باید برای رسیدن به سرعت بالاتر مدت زمان بسیار بیشتری کار کنند. این موتورها می‌توانند سرعت فضاپیما را در عرض 77 ساعت از صفر به صد کیلومتر بر ساعت برسانند اما برای این کار در حد چند میکروگرم سوخت استفاده می‌کنند.

موتورهای یونی در گذر تاریخ

کنستانتین سالکوفسکی، دانشمند معروف روسی در سال ۱۹۱۱ میلادی برای نخستین بار در مقالاتش به موتورهایی با ویژگی موتورهای الکتریکی اشاره کرده است. با این حال، اولین سندی که در آن پیشرانش الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است، در دست نوشته‌های رابرت گادارد دانشمند موشکی آمریکا پیدا شد. این دست نوشته‌ها مربوط به سال ۱۹۰۶ هستند. اولین آزمایش با این نوع موتور را نیز گادارد در دانشگاه کلارک در سال 1916 انجام داده است.

از طرفی ایده استفاده از هوای یونیزه شده برای به حرکت درآوردن فضاپیماها در کتاب راهی به سوی سفر فضایی هرمان اوبرث مطرح شد، که در آن کتاب هرمان نظریاتش را در مورد نگهداری جرم موتور الکتریکی توضیح می‌دهد و در نظردارد که این روش در نیروی موتور یک فضاپیما، حفظ ارتفاع آن و افزایش شتاب گازهای باردار استفاده شود.

نخستین موتور یونی موفق توسط کافمن درسال 1959 در ناسا ساخته شد. در طول سال‌های دهه 1960 تست‌های زیرمداری این موتور دنبال می‌شد و در سال 1964 این موتور روی یک فضاپیما در قالب ماموریت «آزمایش موتورهای الکتریکی فضایی» به فضای زیرمداری فرستاده شد. این ماموریت قبل از بازگشت به زمین درطی 31 دقیقه عملکرد قابل قبولی داشت. این آزمایشات دنبال شد تا این‌که درسال1970 این نوع موتور طی یک پروژه برای آزمایش مداری به مدار فرستاده شد.

سیستم موتور یونی

سیستم موتور یونی از پنج قسمت اصلی تشکیل می‌شود، منبع تغذیه، واحد پردازش توان، سیستم مدیریت پیشرانه، واحد محاسبه و کنترل و رانش‌زای یونی. منبع تغذیه این موتور می‌‌تواند هر منبع الکتریکی باشد، اما منابع خورشیدی و هسته‌ای انتخاب‌های اولیه واصلی هستند. یک سیستم موتور الکتریکی خورشیدی از نور خورشید و سلول خورشیدی به عنوان مولد انرژی استفاده می‌کند. یک سیستم موتور یونی هسته‌ای از منبع گرمایی هسته‌ای به علاوه مولد الکتریکی استفاده می‌کند. واحد پردازش توان، توان الکتریکی تولید شده توسط منبع تغذیه را به توان و انرژی مورد نیاز به هر جز رانش‌زای یونی منتقل می‌کند. این واحد، ولتاژ مورد نیاز برای یون‌های آزاد شده و تخلیه اتاقک رانش‌زا و همچنین جریان مورد نیاز برای کاتد را نیز تامین می‌کند. واحد مدیریت پیشرانه، پیشرانه جریان پیدا کرده از مخزن سوخت به محفظه رانش‌زا و همچنین الکترون خروجی از کاتد را کنترل می‌کند. سیستم کنترل عملکرد، سیستم اصلی را کنترل می‌کند و نمایش می‌دهد. رانش‌زای یونی نیز از نیروی به‌وجود آمده و سوخت استفاده می‌کند و کار نهایی را برای به حرکت درآوردن انجام می‌دهد.

عملکرد رانش‌زای یونی

در این نوع رانش‌زاها، سیال عامل که به عنوان سوخت به کار می‌رود ابتدا یونیزه می‌شود سپس با اعمال میدان الکتریکی شتاب می‌گیرد. عملکرد این رانش‌زا به این صورت است که ابتدا گاز عامل وارد محفظه می‌شود و از کنار آن الکترون هم به این محفظه پرتاب می‌شود. این رانش‌زاهای یونی از گازهای بی‌اثر برای سوخت استفاده می‌کنند تا از خطر انفجار مربوط به سوخت‌های شیمیایی جلوگیری شود. سوخت معمول، زنون است اما از گازهایی همچون کریپتون و آرگون نیز می‌توان استفاده کرد. توسط این بمباران الکترونی گازهای عامل یونیزه شده و دارای بار مثبت می‌شوند. این زنون‌های بار مثبت وقتی از محفظه خارج می‌شوند از یک شبکه میدان الکتریکی عبور می‌کنند که به دلیل جهت میدان، شتاب می‌گیرند.

کاربرد رانش‌زاهای یونی

اخیرا یک مهندس معماری با همکاری یک پژوهشگر موفق به دریافت جایزه بین المللی در زمینه طراحی وسایل نقلیه شدند. آنها وسیله‌‌ای برای حمل و نقل طراحی کرده‌اند که از رانش‌زای یونی استفاده می‌کند. طبق ادعای این مهندس، وسیله‌ طراحی شده می‌تواند مردم را در روز بیش از ۷۰۰۰ کیلومتر روی زمین با امنیت بالا جابه‌جا کند. با این حال کاربرد اصلی این نوع رانش‌زاها در فضا است. به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• این رانش‌زاها را روی ماهواره‌ها نصب می‌کنند تا آنها را روی مدار مورد نظر حفظ کند و هنگام کاهش ارتفاع با حرکت دادن ماهواره آن را به مدار اصلی برگرداند.
• برای سفرهای طولانی فضایی به مسافت‌های بسیار دور که نیاز به خروج آرام ولی پرانرژی سوخت وجود دارد می‌توان از این نوع رانش‌زاها استفاده کرد.
• در حال حاضر نیز ماهواره‌های کوچک را با موتور یونی به فضا می‌فرستند تا این فضاپیماها با رفتن به مسیر مداری ماهواره‌ها، پسماندهای فضایی را با خود آورده وهنگام باز ورود به جو بسوزند و نابود شوند.

منبع: سیناپرس