Kun ajattelemme avaruusmatkaa, meillä on tapana kuvata massiivinen raketti, joka räjähtää Maasta, ja valtavat palo- ja savuvirrat tulevat ulos pohjasta, kun valtava kone kamppailee paetakseen maan painovoimaa. Mutta kun avaruusalus on katkennut painovoimansa maan kanssa, meillä on muita vaihtoehtoja antaa heille virta. Ionikäyttöä, josta on jo unelma tieteiskirjallisuudessa, käytetään nyt koettimien ja avaruusalusten lähettämiseen pitkiä matkoja avaruudessa.
NASA aloitti ionityöntövoiman tutkimuksen ensimmäisen kerran 1950-luvulla. Ioni-propulsioa käytettiin vuonna 1998 menestyksekkäästi avaruusaluksen päävoimansiirtojärjestelmänä, joka syöttää Deep Space 1: tä (DS1) tehtäväänsä asteroidiin 9969 pistekirjoitukseen ja komeetta Borrellyyn. DS1 ei ollut tarkoitettu vain asteroidin ja komeetan käymiseen, vaan myös kahdentoista edistyneen, korkean riskin tekniikan testaamiseen, joista tärkein on itse ionikäyttöjärjestelmä.
Ionikäyttöjärjestelmät tuottavat pienen määrän työntövoimaa. Pidä yhdeksän neljäsosaa kädessäsi, tuntea, että Maan vetovoima vetää niitä, ja sinulla on käsitys siitä, kuinka vähän työntövoimaa ne tuottavat. Niitä ei voida käyttää avaruusalusten laukaisuun voimakkaasti painoisista kappaleista. Heidän vahvuutensa on jatkaa työntövoiman tuottamista ajan myötä. Tämä tarkoittaa, että he voivat saavuttaa erittäin korkeat huippunopeudet. Ionipuristimet voivat ajaa avaruusaluksia yli 320 000 kp / h (200 000 mph) nopeuteen, mutta niiden on oltava pitkään toiminnassa saavuttaakseen tämän nopeuden.
Ioni on atomi tai molekyyli, joka on joko menettänyt tai saanut elektronin, ja siksi sillä on sähkövaraus. Joten ionisaatio on prosessi, jolla annetaan varaus atomille tai molekyyliin lisäämällä tai poistamalla elektroneja. Ladattuaan ioni haluaa liikkua suhteessa magneettikentään. Se on ioniajoneuvojen ydin. Mutta tietyt atomit sopivat paremmin tähän. NASA: n ioniajoneuvot käyttävät tyypillisesti inerttiä kaasua ksenonia, koska räjähdysvaaraa ei ole.
Ionikäytössä ksenoni ei ole polttoainetta. Sitä ei palata, eikä sillä ole luontaisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä hyödyllisen polttoaineena. Ionilaitteen energialähteen on oltava peräisin muualta. Tämä lähde voi olla aurinkokennoista saatava sähkö tai ydinmateriaalin rappeutumislämpöä tuottava sähkö.
Ioneja syntyy pommittamalla ksenonikaasua korkean energian elektroneilla. Ladattuaan nämä ionit vetävät varauksillaan sähköstaattisten hilaparien, joita kutsutaan linsseiksi, läpi ja karkotetaan kammiosta tuottaen työntövoimaa. Tätä purkausta kutsutaan ionisädeksi, ja siihen injektoidaan jälleen elektroneja sen varauksen neutraloimiseksi. Tässä on lyhyt video, joka näyttää ioniajoneuvojen toiminnan:
Toisin kuin perinteisessä kemiallisessa raketissa, jossa sen työntövoimaa rajoittaa se, kuinka paljon polttoainetta se pystyy kuljettamaan ja polttamaan, ionikäytön tuottamaa työntövoimaa rajoittaa vain sen sähkölähteen lujuus. Ajoneuvon kantoaineen määrä, tässä tapauksessa ksenoni, on toissijainen huolenaihe. NASA: n Dawn-avaruusaluksella käytettiin vain 10 unssia ksenonpolttoainetta - joka on vähemmän kuin soodapurkki - 27 käyttötunnin ajan.
Teoriassa taajuusmuuttajaa käyttävän sähkölähteen voimakkuudelle ei ole mitään rajoituksia, ja työtä tehdään vielä tehokkaampien ionityöntövoimien kehittämiseksi kuin meillä tällä hetkellä on. Vuonna 2012 NASA: n evoluutio-Xenon-ohjain (NEXT) toimi 7000w: llä yli 43 000 tuntia verrattuna DS1: n ioniajoneuvoon, joka käytti vain 2100w. NEXT ja tulevaisuudessa sitä paremmat mallit antavat avaruusaluksille mahdollisuuden jatkaa tehtäviä useisiin asteroideihin, komeetoihin, ulkoplaneettoihin ja heidän kuunsa.
Ionikäyttöisiä operaatioita ovat NASAn Dawn-operaatio, japanilainen Hayabusa-operaatio asteroidiin 25143 Itokawa ja tulevat ESA-operaatiot Bepicolombo, joka suuntautuu Mercuryyn vuonna 2017, ja LISA Pathfinder, joka tutkii matalataajuisia painovoima-aaltoja.
Ionikäyttöjärjestelmien jatkuvan parantamisen myötä tämä luettelo vain kasvaa.
