Космические аппараты, работающие на электрической тяге, скоро будут лучше защищены от собственных выхлопов благодаря новому суперкомпьютерному моделированию.
Электрические двигатели — более эффективная альтернатива традиционным химическим ракетам, и они все чаще используются в космических полетах, начиная с прототипов на Deep Space 1 НАСА и SMART-1 Европейского космического агентства в 1998 и 2003 годах соответственно, а затем нашли применение во флагманских научных миссиях, таких как Dawn и Psyche НАСА к поясу астероидов. Существуют даже планы по использованию электрической тяги на космической станции НАСА Lunar Gateway.
Идея электрической тяги заключается в том, что электрический ток ионизирует (то есть отнимает электрон) атомы нейтрального газа, такого как ксенон или криптон, хранящиеся на борту космического корабля. В результате процесса ионизации образуется облако ионов и электронов. Затем принцип, называемый эффектом Холла, создает электрическое поле, которое ускоряет ионы и электроны и направляет их в характерный голубой шлейф, выходящий из космического корабля на скорости более 60 000 км/ч. Поэтому электрическую двигательную установку также называют ионным двигателем.
Согласно третьему закону движения Исаака Ньютона, каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Поэтому шлейф ионов, вылетающих из космического корабля, создает тягу. Однако для создания импульса требуется некоторое время, поскольку, несмотря на высокую скорость движения, ионный шлейф довольно разрежен. Генерируемый импульс не такой мгновенный, как у химической ракеты, но ионные двигатели требуют меньше топлива и, следовательно, меньшей массы, что снижает стоимость запуска, и ионные двигатели не расходуют все свое топливо так быстро, как химические ракеты.
Энергия для электромагнитных полей часто обеспечивается солнечными батареями, поэтому технологию иногда называют солнечной электрической двигательной установкой. Но для полетов вдали от Солнца, где солнечный свет слабее, можно также использовать ядерную энергию в виде радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ) для приведения в действие электрической тяги.
Несмотря на то, что электрические двигатели уже достигли определенного уровня развития и используются в различных миссиях, это не идеальная технология. В частности, одна из проблем заключается в том, что ионный шлейф может повредить космический аппарат. Хотя шлейф направлен в сторону от зонда, электроны в нем могут перенаправиться, двигаться против направления движения шлейфа и ударить по космическому аппарату, повредив солнечные батареи, антенны связи и любые другие открытые компоненты. Достаточно сказать, что это не очень хорошо для зонда.
«Для миссий, которые могут длиться годами, [электрические двигатели] должны работать плавно и стабильно в течение длительных периодов времени», — говорится в заявлении Чена Куи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Вирджинии. Прежде чем искать решения для защиты космических аппаратов от этих рассеянных электронов, необходимо понять их поведение в шлейфе ионного двигателя, в чем и помогают Цуй и Джозеф Ванг из Университета Южной Калифорнии. Они провели суперкомпьютерное моделирование выхлопа ионного двигателя, смоделировав термодинамическое поведение электронов и то, как они влияют на общие характеристики шлейфа.
«Эти частицы могут быть маленькими, но их движение и энергия играют важную роль в определении макроскопической динамики факела, выбрасываемого электрическим движителем», — говорит Цуй. Цуй и Ван обнаружили, что электроны в шлейфе ведут себя по-разному в зависимости от температуры и скорости. «Электроны похожи на шарики, собранные в трубку», — говорит Цуй. «Внутри пучка электроны горячие и движутся быстро. Их температура не сильно меняется, если двигаться вдоль направления пучка. Однако если "шарики" выкатываются из середины трубки, они начинают остывать. Это охлаждение происходит больше в определенном направлении, перпендикулярном направлению луча».
Другими словами, электроны в ядре пучка, которые движутся быстрее всего, имеют более или менее постоянную температуру, но те, что находятся снаружи, остывают быстрее, замедляются и выходят из пучка, потенциально рассеиваясь назад и ударяя по космическому аппарату.
Теперь, когда ученые лучше понимают поведение электронов в ионном шлейфе, они могут учесть это в проектах будущих электрических двигателей, ища способы ограничить обратное рассеяние или, возможно, ограничить электроны в ядре пучка. В конечном счете, это может помочь миссиям, работающим на электрических двигателях, летать дальше и дольше, подгоняемые легким голубым бризом ионного шлейфа.