Nový iontový motor je desetkrát účinnější

Martin Šrubař · 15. 1. 2006

Kosmonautika

Nový iontový motor vystřeluje částice rychlostí 210 km/s a je tak desetkrát účinnější než současné. Otevře dveře ke snadnému cestování lidí do vzdálených částí vesmíru nebo zůstane pouze pohonem lehkých sond?

Vylepšení elektrostatického iontového motoru

Zvětšit
Schéma elektrostatického iontového motoru
Credit: viz Wikipedia

ESA ve spolupráci s Australskou národní univerzitou vyvinula a úspěšně otestovala vylepšení elektrostatického iontového motoru a nový motor pojmenovala DS4G. Klasický elektrostatický iontový motor funguje tak, že palivo, které představuje obvykle těžký netečný plyn xenon, je bombardováno elektronovým dělem, čímž se vyrazí elektrony z poslední slupky xenonu (To je, mimochodem, docela energeticky náročné.), a tak se z něj stane kladný iont. Postupuje poté k dvojici blízko sebe umístěných mřížek s vysokým rozdílem napětí (obvykle 5 kV), které oddělí volné elektrony od kladných iontů a ionty urychlí na vysokou rychlost – obvykle 20 až 30 km/s. Vyšší rozdíl napětí mezi mřížkami udělí větší rychlost, ale má to za následek vyšší opotřebení výstupní mřížky nárazy iontů. Je to nepříjemné, jelikož iontové motory mají velmi nízký tah, a musí proto pracovat bez přestání i několik měsíců až let, aby sondu urychlily na potřebnou rychlost. Na závěr jsou vystupující kladné ionty neutralizovány dalším elektronovým dělem, aby si motor zachoval celkovou elektrickou neutralitu.

Motor DS4G při testech
Credit: ESA

Vědci tento princip vylepšili tak, že použili dvě dvojice urychlovacích mřížek. První dvojice pracuji na vysokém napětí. Mezi ní je malý napěťový rozdíl např. první má 10 000 V a druhá 9 900 V. Tam se oddělí ionty od elektronů. Poté následuje větší mezera a dále je umístěn další pár mřížek na nízkém napětí (např. 200 a 100 V). Vysoký rozdíl napětí na velké dráze udělí iontům velkou rychlost a přitom nepoškozuje mřížku. Zde se přiznám, že mi není jasné, proč proč se nepoškozuje. Zdá se, že to nějak souvisí s oddělováním elektronů od iontů, ale skutečný důvod mi zůstává záhadou. Budu tedy vědcům slepě věřit.

Špičkové parametry

Motor DS4G při testech
Credit: ESA

Použité napětí 30 kV urychlí vystupující ionty na 210 km/s, a tak se desetkrát zvedne palivová účinnost oproti výstupní rychlosti 21 km/s. Vyšší palivová účinnost znamená, že s daným množstvím paliva (xenonu) může motor pracovat se stejným tahem desetkrát déle. Taková účinnost se vyjadřuje specifickým impulzem. Čím je větší, tím lépe. Iontové motory jej mají asi stokrát větší než klasické chemické. Nový iontový motor prý bude možné snadno zvětšit pro dosažení výkonu dostatečného pro těžší vesmírná plavidla.

Budoucnost letů sluneční soustavou

Nyní budou následovat dlouhodobé testy, které ukáží, zda je životnost motoru skutečně tak vysoká, jak vědci čekají. Pokud bude, určitě můžeme očekávat brzké nasazení v sondách zkoumajících sluneční soustavu. Po zastavení programu JIMO, jehož součásti byl projekt HiPEP zabývající se vysokovýkonným iontovým pohonem, v loňském roce zůstává ESA jedinou nadějí na to, že se dočkáme motorů, se kterými budeme moci dosáhnout jakýkoliv bod ve sluneční soustavě v dostatečně krátkém čase.

Mřížka výkonného iontového motoru z projektu HiPEP
Credit: NASA

Když G. W. Bush oznámil snahu o obnovení letů k Měsíci a let na Mars, byl jsem potěšen. Když se nyní dovídám detaily o zastavených projektech je mi smutno. JIMO (Ve stručnosti – sestavení velké sondy pro výzkum ledových měsíců Jupiteru poháněné iontovým motorem se zdrojem elektrické energie v podobě jaderné článku) je z dlouhodobého hlediska nesrovnatelně užitečnější, protože spotřebované peníze se investují do vývoje zcela nové technologie a ne do recyklace staré. Letem na Mars se vyhodí oknem značná část z utracených mnoha miliard dolarů, zatímco jinak by se celá částka investovala do budoucích letů modernějších sond. Výsledkem letu na Mars bude těžko měřitelný politický zisk. Nemůžeme přece dopustit, aby Čína byla na Marsu první, že? NASA postupně ztratí technologický náskok, když se bude plácat ve starých/osvědčených technologiích. Čína by mohla být na Marsu první, ale USA by mohly s pomocí špičkových iontových motorů být první na Titanu nebo i dál.

Co se dá dělat. Rodina Bushů má dávný sen zažít přistání lidí na Marsu. Když se to nepodařilo zařídit Georgi Bushovi staršímu, tak se o to pokusí mladší. Docela typické upřednostnění krátkodobého úspěchu před dlouhodobým. Co naděláme. Dobývat Měsíc či Mars je sice vzrušující, ale létání po celé sluneční soustavě ještě víc.

Komentáře

Abraxis – 16.1.2006

Moc nechapu to s tim "neutralizovanim" (teda chapu JAK, ale ne PROC). Nemate nekdo k tomu vice detailu?

Jarda – 16.1.2006

Protoze kdyby se motor nezbavil elektronu 'zbylych' po ionizaci, tak se ta sonda bude nabijet zaporne a bude ty kladne nabite ionty zase pritahovat zpet.

Martin – WWW – 16.1.2006

Já předpokládám, že je to proto, aby celá sonda ve vesmíru zůstala elektricky neutrální a nepřitahovala tak nabité částice a také kdyby se nabila na příliš velké napětí celá kostra sondy, tak by motor nejspíš přestal fungovat, protože by kostra přitahovala odlétající částice a ovlivňovalo by to jistě i samotné urychlování iontů uvnitř motoru.

Martin – WWW – 16.1.2006

[2] Pěkně jsme se shodli. :)

Abraxis – 16.1.2006

No, ale vuci cemu chces merit ve vesmiru "elektrickou neutralitu"?V tomto pripade je to celkem jasne (vuci tem vystrelenym casticim), ale zda to jde vubec nejak obecne...

p – 16.1.2006

MY nejsme americani, takze asi tezko budeme nedopoustet aby Cina byla na Matsu driv :)

Martin – WWW – 16.1.2006

[5] Elektrický náboj tělesa změříme tak, že do jeho okolí umístíme těleso se známým nábojem a změříme, jaká síla něj působí. To platí pro větší vzdálenost od složitě tvarovaného tělesa za předpokladu nevýznamnosti jiných možných zdrojů elektrického pole v prostoru. Těleso (sonda) bude neutrální tehdy, když na nabité těleso nebude působit žádnou silou.

Abraxis – 17.1.2006

2Martin: jo, to chapu, ale prave jde o to, jake teleso zvolime (Zeme muze mit uplne jiny naboj nez Mesic/Slunce...)...

Martin – WWW – 17.1.2006

[8] Elektricky neutrální těleso nebude silově působit (původem z elektrického pole) na ŽÁDNÉ elektricky nabité těleso. Ačkoliv Země, Měsíc i Slunce jsou celkově elektricky neutrální.Ovšem taky je možné, že jsem nepochopil Tvůj dotaz.

Abraxis – 18.1.2006

Ne, pochopil jsi ho spravne. To ja pochopil tebe blbe - myslel jsem si (az doted), ze nic jako "neutralni naboj" neexistuje - holt jsem na to "aplikoval" teorii relativity a myslel jsem si, ze neutralni "naboj" je nulovy naboj vuci nejake "vstazene merici soustave".

Seeker – 19.1.2006

Nevim nevim, jestli chcete cestovat něčim co zrychluje 200 let na rychlost ostatních raketoplánů!?

Martin – WWW – 19.1.2006

Asi nechápu, jak jsi komentář myslel. Na oběžnou dráhu Země se jakákoliv loď musí vynést klasickými raketami, přičemž dosáhne přibližně stejné rychlosti jako raketoplán. Ale spíše jsi narážel na velmi nízkou sílu vyvolanou iontovými motory obecně. Zrovna v tom je tento motor dobrý. Vyšší specifický impuls znamená, že můžeme zařadit třeba i více motorů na jednu sondu a dosáhnout vyššího zrychlení. JIMO také nepočítalo s tím, že by někam letělo 200 let.

Prokop Hapala – 20.1.2006

U iontovych motoru je problem ze meritko specifickeho impulzu je ponekud zavadejici. Pro bezne palivo se hodi, protze hmotnost paliva je jednoznacne najvetsi cast hmotnosti celeho systemu.Ale pri porovnavani s iontovym motorem by se melo take pocitat s hmotnosti samotneho motoru (uvazime li casove omezenou dobu pouziti). Pak by iontove motory vychazely podstatne hure. I kdyz jejich hmotnost se s vyvojem samozdrejme bude snizovat.

Martin – WWW – 20.1.2006

[13] Máš samozřejmě zcela pravdu. Jelikož se motor ve fázi vývoje, jeho hmotnost ani porovnání hmotnosti s běžnými iontovými motory jsem nenašel. Pro využití bude určitě zásadní.Ještě doplním svou poznámku o více motorech. I kdybychom na sondu namontovali 100 motorů, nikdy nedosáhneme takového zrychlení, jako má motor sám o sobě, ale čím víc motorů dáme, tím více se mu přiblížíme. Z toho také vyplývá důležitost "lehkosti" iontového motoru.

Prokop Hapala – 20.1.2006

no a jeste je zajimave porovnat energetickou ucinost(zatimco specificky impuls by se dal nazvat hybnostni ucinnos). Bohuzel tu plati nemilosrdne neprima umera mezi hybnostni ucinosti (extrem je hazeni kamenu) a energetickou (extrem je fotonovy motor). Asi jde o to najit optimum podle toho jaky je aktualne pomer nakladnosti neseni energetickeho zdroje a "hybnostniho zdroje".Samozdrejme se da do budoucna ocekavat v tomto smyslu podstatne levnejsi energie nez hybnost. Ale zatim (bez jadernych reaktoru/lehkych fotoclanku) to tak jenoznacne neni. To je predpokladam taky duvod proc motor neni proste jen protonove a elektronove delo namirene stejnym smerem (max hybnostni ucinost), ale naopak se castice jeste brzdi srazkami a to i za cenu toho ze se ponekud dezorientuji jejich vektory hybnosti, zpusobi to zahrivani motoru a opotrebeni mrizky, a komplikaci celeho zarizeni.//mozna je to vagni, ale casto mi pripada ze tohle neni v souvislosti s iontovym motorem moc zminovano

David – 2.1.2007

Jasne totalni pravda ale hosi nezapomeli ste ze se tu bavime o zrychleni zeme vesmir přece kdyz vezmu dnesni iontovi motor a vezmu aerodinamicnost tak prece cim "aerodinamictejsi tvar" tak tim vetsi zrychleni kdyz vezmu za 20-30 let dnesni sondu a to zase bude lepsi motor tak to same bude kdyz tu sondu z aerodinamicnime protoze pak ty rakety nevyplejtvaj tolik paliva na vzneseni "beru li i odpor vzduchu atd" tak nam zase nejakej ten litr kapne ne?

Komentáře můžete zaslat na tento email.

Share: Twitter, Facebook