دانشمندان رفتار پرتو پلاسمایی را برای بهبود عملکرد پیشرانه‌های الکتریکی رمزگشایی کردند
انتظار می‌رود پیشرانه‌های الکتریکی (EP) برای اکتشافات فضایی انقلاب ایجاد کنند و جایگزینی کارآمد از نظر سوخت برای راکت‌های شیمیایی سنتی ارائه دهند.
"پیشرانه الکتریکی با یونیزه‌کردن گاز خنثی، معمولاً زنون، و سپس استفاده از میدان‌های الکتریکی برای تسریع یون‌های حاصل کار می‌کند. یون‌ها که اکنون پرتوی پلاسمایی با سرعت بالا را تشکیل می‌دهند، فضاپیما را به جلو می‌رانند،" پژوهشگران در یک مطالعه جدید توضیح دادند.
این فناوری برای مأموریت‌های بلندمدت، مانند برنامه آرتمیس ناسا، فوق‌العاده مهم است که امکان سفر فضاپیماها با سوخت کمتر را فراهم می‌کند. ولی این فناوری بدون چالش نیست.
مطالعه‌ای که توسط چن کُوی از دانشگاه ویرجینیا رهبری شده است، رفتار پیچیده الکترون‌ها در پرتوی پلاسما را که توسط پیشرانه‌های الکتریکی تولید می‌شود، روشن کرده است.
«برای اینکه این فناوری برای مأموریت‌های طولانی‌مدت مناسب باقی بماند، باید ادغام EP را با سیستم‌های فضاپیما بهینه کنیم،» کُوی گفت.
این پژوهش اطلاعات ارزشمندی ارائه می‌دهد که می‌تواند به طور قابل توجهی کارآیی و اطمینان این سیستم‌ها را افزایش دهد.
نقش حیاتی الکترون‌ها در پیشرانه‌های الکتریکی
پژوهش کُوی به دنیای میکروسکوپی الکترون‌ها در پرتوی پلاسما می‌پردازد. این ذرات کوچک با بار منفی نقش حیاتی در عملکرد کلی پیشرانه‌های الکتریکی ایفا می‌کنند.
«این ذرات ممکن است کوچک باشند، اما حرکت و انرژی آن‌ها نقش مهمی در تعیین دینامیک ماکروسکوپی پرتو منتشر شده از پیشرانه الکتریکی دارد،» او تأکید کرد.
درک اینکه چگونه این پرتو با فضاپیما تعامل دارد بسیار مهم است.
برخی از ذرات پرتو ممکن است به سمت فضاپیما جریان پیدا کنند. این ممکن است به اجزای حساستی مانند پانل‌های خورشیدی و آنتن‌های ارتباطی آسیب وارد کند.
برای مأموریت‌های بلندمدت، تضمین عملکرد آرام و پایدار پیشرانه‌های EP بسیار مهم است. این نیاز به درک عمیقی از رفتار پرتو پلاسما برای کاهش خطرات احتمالی دارد.
«برای مأموریت‌هایی که ممکن است سال‌ها طول بکشد، پیشرانه‌های EP باید به طور آرام و پایدار در طولانی مدت عمل کنند،» کُوی مطرح کرد.
شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای تحلیل دقیق
برای مطالعه این رفتار پیچیده، تیم تحقیقاتی از شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری استفاده کردند.
این شبیه‌سازی‌ها با استفاده از ابررایانه‌ها و روش پیچیده‌ای به نام شبیه‌سازی ولاسوف انجام می‌شود.
«در مقایسه با شبیه‌سازی استاندارد و کاملاً سینتیک ذره در سلول، روش شبیه‌سازی ولاسوف مبتنی بر شبکه دخالت نویز ذرات را حذف می‌کند و قادر به حل دقیق‌تر حرکت سرعت مرتبه بالاتر، مانند جریان حرارت الکترون، است،» مطالعه توضیح داد.
این تکنیک «بدون نویز» اجازه می‌دهد تحلیل دقیقی از تعاملات الکترونی انجام شود و داده‌های اضافی که می‌تواند تصویر بزرگ‌تر را مبهم سازد، فیلتر شوند.
یافته‌های کلیدی و پیامدهای آن‌ها
کُوی در یک اطلاعیه مطبوعاتی توضیح داد: «الکترون‌ها مانند سنگ‌ریزه‌هایی هستند که درون لوله‌ای فشرده شده‌اند.»
«در داخل پرتو، الکترون‌ها گرم و سریع حرکت می‌کنند. دمای آن‌ها خیلی تغییر نمی‌کند اگر در جهت پرتو بروید. با این حال، اگر "سنگ‌ریزه‌ها" از وسط لوله بیرون بیفتند، شروع به خنک شدن می‌کنند. این خنک شدن بیشتر در جهت خاصی که عمود بر جهت پرتو است، اتفاق می‌افتد.»
مطالعه نشان داد که توزیع سرعت الکترون‌ها در داخل پرتو پلاسما شکل نزدیک به ماکسولی (مانند زنگوله‌ای) در جهت پرتو دارد.
با این حال، در جهت عرضی، نمایه «کلاه بالا» منحصر به فردی را نشان می‌دهد.
«علاوه بر این، کُوی و وانگ کشف کردند که جریان حرارت الکترونی – که اصلی‌ترین راه حرکت انرژی حرارتی از طریق پرتو پلاسما EP است – عمدتاً در جهت پرتو اتفاق می‌افتد، با دینامیک منحصر به فردی که در مدل‌های قبلی کاملاً به تصویر کشیده نشده بود،» اطلاعیه مطبوعاتی خاتم یافت.
