Silnik jonowy - Polski Serwis Naukowy

Silnik jonowy sondy Deep Space 1

Testy silnika jonowego w laboratorium NASA

Silnik jonowy (ang. ion engine, ion propulsion system) – rodzaj silnika rakietowego, w którym czynnikiem nośnym są jony rozpędzane w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego.

Silnik jonowy jest najbardziej wydajnym z silników używanych obecnie (2003) w przestrzeni kosmicznej. Są one około dziesięć razy wydajniejsze niż powszechnie stosowane chemiczne silniki rakietowe.

Silnik rakietowy – rodzaj silnika odrzutowego, czyli wykorzystującego zjawisko odrzutu substancji roboczej, który nie pobiera w trakcie pracy żadnej substancji z otoczenia. Substancją roboczą mogą być produkty spalania (gazy spalinowe) powstałe przy utlenianiu paliwa (chemiczny silnik rakietowy), przy czym zarówno paliwo rakietowe jak i utleniacz znajdują się w zbiornikach napędzanego urządzenia (tlen nie jest pobierany z atmosfery), dzięki czemu silnik może pracować w dowolnych warunkach, np. w przestrzeni kosmicznej i pod wodą. Mogą nią być też jony rozpędzane elektromagnetycznie (silnik jonowy), plazma, także rozpędzana elektromagnetycznie (silnik plazmowy) lub strumień fotonów gamma (hipotetyczny silnik fotonowy). Stosowany najczęściej w rakietach i promach kosmicznych oraz pociskach rakietowych.

National Aeronautics and Space Administration (NASA) (pl. Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej) – agencja rządu Stanów Zjednoczonych odpowiedzialna za narodowy program lotów kosmicznych, ustanowiona 29 lipca 1958 r. na mocy National Aeronautics and Space Act.

Prace nad silnikiem rozpoczęto w latach 50. XX wieku. Pierwsze wersje wykorzystywały do napędu pary rtęci (Hg). Obecnie powszechnie wykorzystywany jest gaz szlachetny ksenon (Xe).

Energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi z zewnętrznego źródła (najczęściej z baterii słonecznych). Najpierw atomy ksenonu pozbawiane są ładunku ujemnego – zostają przekształcone w jony dodatnie. Następnie są rozpędzane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego osiągając prędkość nawet do 36 km/s. Duża prędkość wyrzucanego czynnika daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanej substancji. Jednak ze względu na małą moc układu zasilającego masa wyrzucanego czynnika nie jest duża, przez to siła ciągu rakiety nie jest duża, ale za to nośnika wystarcza na długi czas lub ma on mniejszą masę. Statek wyposażony w taki silnik porusza się z małym przyspieszeniem, więc nie może być wykorzystywany gdy potrzebne jest duże przyspieszenie.

Orbita geostacjonarna to orbita okołoziemska, która zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Orbita geostacjonarna jest orbitą kołową zawartą w płaszczyźnie równika. Przebiega na wysokości 35 786 km nad równikiem (42 160 km od środka Ziemi). Prędkość ciała na orbicie geostacjonarnej wynosi około 3,08 km/s, a czas okrążenia przez niego Ziemi jest równy 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli dokładnie tyle, ile trwa doba gwiazdowa.

Pas Van Allena (pas radiacyjny) – obszar intensywnego promieniowania korpuskularnego, otaczającego Ziemię. Składa się z naładowanych cząstek o wielkiej energii – głównie elektronów i protonów – schwytanych w pułapkę przez ziemskie pole magnetyczne, w którym poruszają się one po trajektoriach zbliżonych do helis, których osie są równoległe do linii pola magnetycznego łączących obydwa ziemskie bieguny magnetyczne. Cząstki te mogą powodować uszkodzenia elektronicznych komponentów satelity przebywającego przez dłuższy czas w strefie oddziaływania Pasów Van Allena.

Rodzaje silników jonowych

Silniki jonowe mają bardzo wiele różnych typów z których część została już użyta, a część jest w fazie badań i koncepcji. Najbardziej znane z nich to:

Silnik jonowy elektrostatyczny w użyciu, ale testuje się nowe generacje jak np.HiPEP,DS4G

Silnik Halla

HDLT w fazie badań

VASIMR w fazie badań

Wykorzystanie w misjach

Silnik jonowy elektrostatyczny wykorzystano do napędu wystrzelonej w 1998 sondy Deep Space 1 lecącej w kierunku komety Borrely'ego. Napęd, zaprojektowany tak, aby pracował przez 200 godzin, w praktyce działał ponad 50 razy dłużej. Silnik Halla z kolei był wykorzystany w sondzie SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej. Silniki jonowe służą obecnie jako główny napęd japońskiej sondy Hayabusa i amerykańskiej Dawn.

Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Silnik tego typu posłużył, między innymi, do uratowania misji satelity Artemis, który 13 lipca 2001 został przez rakietę Ariane 5 umieszczony na niewłaściwej orbicie. Pierwsze manewry zmiany orbity wykonano klasycznym napędem chemicznym, ze względu na konieczność szybkiego opuszczenia pasów radiacyjnych Van Allena. Zużyto na to 95% paliwa chemicznego. Ostatnie 5 tysięcy kilometrów satelita pokonał używając napędu jonowego. Pod koniec stycznia 2003 Artemis osiągnął docelową orbitę geostacjonarną.

Gazy szlachetne (helowce) – pierwiastki chemiczne ostatniej, 18 (dawn. 0 lub VIII głównej) grupy układu okresowego. Do pierwiastków tych zalicza się: hel, neon, argon, krypton, ksenon, radon. Prawdopodobnie gazem szlachetnym jest również syntetyczny pierwiastek ununoctium.

Silnik Halla jest to silnik jonowy, w którym jony gazu są przyspieszane polem elektrostatycznym. Silnik ten był wykorzystywany do podtrzymywania orbity sond radzieckich. Najbardziej spektakularnym przykładem jego zastosowania była sonda SMART-1 o impulsie właściwym równym 1640 sekundom.

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Silnik jonowy

Warto zobaczyć: jonolot