"צורות" נסתרות בתוך קרני פלזמה עשויות להגביר את הדור הבא של רקטות החלל

לך מהר יותר, רחוק יותר, ביעילות רבה יותר. זו המטרה שמניעה מהנדסי הנעת חלליות כמו צ'ן קוי, עוזר פרופסור חדש בבית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת וירג'יניה. Cui בוחן דרכים לשיפור דחפי הנעה חשמליים - טכנולוגיית מפתח למשימות חלל עתידיות.

"על מנת להבטיח שהטכנולוגיה תישאר בת קיימא למשימות ארוכות טווח, עלינו לייעל את שילוב ה-EP עם מערכות חלליות", אמר Cui.

בעבודה עם יועצו לשעבר, פרופסור ג'וזף וואנג מאוניברסיטת דרום קליפורניה, פרסם Cui ממצאים בדצמבר 2024, במקורות פלזמה מדע וטכנולוגיהשמספקות תובנות חדשות לגבי התנהגות קינטית אלקטרונים בתוך קרני פלזמה, אולי חושפות את ה"צורה" של הדברים הבאים.

העתיד של חקר החלל

Cui, שהצטרף למחלקה להנדסת מכונות וחלל בסתיו, ממקד את מחקרו בהבנת האופן שבו אלקטרונים - חלקיקים טעונים זעירים הנעים במהירות - מתנהגים בקרני הפלזמה הנפלטות מדחפי EP.

"החלקיקים האלה עשויים להיות קטנים, אבל לתנועתם ולאנרגיה שלהם יש תפקיד חשוב בקביעת הדינמיקה המקרוסקופית של הפלומה הנפלטת ממדחף ההנעה החשמלית", אמר.

על ידי לימוד האינטראקציות המיקרוסקופיות הללו, Cui שואף להבין טוב יותר כיצד פלומת הפלזמה הנפלטת מקיימת אינטראקציה עם החללית עצמה.

הנעה חשמלית פועלת על ידי יינון גז ניטרלי, בדרך כלל קסנון, ולאחר מכן שימוש בשדות חשמליים כדי להאיץ את היונים שנוצרו. היונים, היוצרים כעת אלומת פלזמה במהירות גבוהה, דוחפים את החללית קדימה.

בהשוואה לרקטות כימיות, מערכות EP הן הרבה יותר חסכוניות בדלק, מה שמאפשר לחללית לנוע רחוק יותר תוך שהיא נושאת פחות דלק. מערכות אלו מופעלות לרוב על ידי פאנלים סולאריים או כורים גרעיניים קטנים, מה שהופך אותם לאידיאליים למשימות ארוכות בחלל, כמו תוכנית ארטמיס של נאס"א, שמטרתה להחזיר בני אדם לירח, ובסופו של דבר לשלוח אסטרונאוטים למאדים ומעבר לו.

עם זאת, הפלטה הנפלטת מהדחפים היא לא רק פליטה - היא גלגל ההצלה של מערכת ההנעה כולה. אם לא מובנת היטב, הפלומה עלולה לגרום לבעיות בלתי צפויות. חלקיקים מסוימים עשויים לזרום לאחור לכיוון החללית, מה שעלול לגרום נזק לרכיבים חשובים בכלי השיט, כגון פאנלים סולאריים או אנטנות תקשורת.

"עבור משימות שיכולות להימשך שנים, דחפי EP חייבים לפעול בצורה חלקה ועקבית לאורך תקופות זמן ארוכות", אמר Cui. המשמעות היא שלמדענים ומהנדסים יש הבנה עמוקה של האופן שבו פלומת הפלזמה מתנהגת כדי למנוע כל נזק אפשרי.

מה המחקר מצא

Cui מתמחה בבניית הדמיות מחשב מתקדמות כדי ללמוד כיצד פלזמה מתנהגת בזרמי פלזמה מדחף EP. אלו לא סתם סימולציות. הם מופעלים על ידי מחשבי-על מודרניים ומשתמשים בשיטה הנקראת הדמיית Vlasov, שיטה חישובית "נטולת רעש" מתקדמת.

האלקטרונים בקרן EP אינם מתנהגים בדיוק כפי שחזו על ידי מודלים פשוטים. הם פועלים בצורה שונה בטמפרטורות ובמהירות שונות, ויוצרים דפוסים ברורים.

היכולת לראות במדויק את המורכבות של אינטראקציות אלקטרונים, תוך הפקת נתונים המבלבלים את התמונה הגדולה יותר, היא המפתח.

"האלקטרונים דומים מאוד לגולות ארוזות בצינור," אמר קווי.

"בתוך האלומה האלקטרונים חמים ונעים במהירות. הטמפרטורה שלהם לא משתנה הרבה אם הולכים לאורך כיוון האלומה. עם זאת, אם ה'גולות' מתגלגלות מאמצע הצינור, הן מתחילות להתקרר. ההתקררות הזו מתרחשת יותר בכיוון מסוים, הכיוון מאונך לכיוון הקרן”.

במאמרם האחרון, הם מצאו שהתפלגות מהירות האלקטרונים מציגה צורה קרובה למקסווליאנית [כמו עקומת פעמון] בכיוון הקרן ומה שהם מתארים כפרופיל "כובע עליון" בכיוון הרוחבי של הקרן.

בנוסף, Cui ו-Wang גילו ששטף חום האלקטרונים - הדרך העיקרית שבה אנרגיה תרמית נעה דרך אלומת הפלזמה EP - מתרחשת בעיקר לאורך כיוון הקרן, עם דינמיקה ייחודית שלא נלכדה במלואה בדגמים קודמים.

מידע נוסף:
Chen Cui et al, הדמיות ולאסוב של אלומת הנעה חשמלית,מקורות פלזמה מדע וטכנולוגיה(2024).DOI: 10.1088/1361-6595/ad98c0

מסופק על ידי
אוניברסיטת וירג'יניה

צִיטָטָה:
'צורות' נסתרות בתוך קרני פלזמה עשויות להגביר את רקטות החלל של הדור הבא (2025, 6 בינואר)