Każdy, kto oglądał Gwiezdne Wojny, kojarzy imperialne myśliwce TIE, gdzie TIE jest skrótem od Twin Ion Engine – podwójny silnik jonowy. Brzmi to bardzo futurystycznie, ale silniki jonowe są czymś, co działa w rzeczywistości. W jaki sposób?
Czym jest silnik jonowy?
Silnik jonowy wymaga, jak sama nazwa wskazuje, jonów. To atomy, którym zabrano lub dodano jeden elektron. Wykorzystuje się jony w stanie gazowym. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny, daje się je przyspieszyć polem elektrycznym, a potem robotę robią już prawa Newtona. Jeśli statek kosmiczny odpycha jony, to one odpychają statek kosmiczny, więc jony lecą w jedną stronę, a statek – w drugą. Jak to często bywa, z tym typem napędu pojawiły się korzyści i problemy.
Podstawowa korzyść polega na tym, że silnik jonowy pozwala “oszukać” równanie rakietowe, o którym kiedyś tu pisałem. Ponieważ nie zachodzi tam żadna reakcja chemiczna, nie polegamy na energii, którą przywieźliśmy ze sobą z Ziemi, zmagazynowanej w formie dwóch lub więcej chemikaliów. Energię elektryczną do jonizacji i przyspieszenia gazu można czerpać choćby z baterii słonecznych. A że jony są bardzo lekkie i można je wyrzucić ze statku kosmicznego z olbrzymią1Kosmiczną wręcz! prędkością, to impuls specyficzny, który wstawiamy do równania rakietowego, też jest znacznie większy niż w przypadku silników rakietowych.
Z drugiej strony, choć impuls jest olbrzymi, to siła ciągu jest bardzo mała. Dlatego też jak dotąd tego typu napęd stosuje się tylko w satelitach. Z jednej strony są one lekkie, a z drugiej – mogą sobie pozwolić na operowanie niewielkim ciągiem przez długi czas, zamiast silnym ciągiem krótko. Niestety, tu pojawia się dodatkowy problem: masa.
Za ciężkie?
Jak dotąd, głównym materiałem przerabianym na jony do napędzania satelitów, był krypton lub ksenon. Jako że są to gazy, wymagały one do transportu zbiorników ciśnieniowych. A to podwyższa masą całego napędu. To z kolei oznacza, że samo wystrzelenie satelity staje się droższe. Nawet rakiety SpaceX kosztują ładnie ponad 1000 dolarów za każdy kilogram wywieziony na orbitę…
Ale pojawiło się rozwiązanie tego problemu. W artykule opublikowanym ostatnio w Nature francuska grupa badaczy, związanych głównie z firmą ThrustMe, opisała działający silnik jonowy oparty nie na gazach szlachetnych, ale na jodzie. Jod ma tę przewagę nad ksenonem i kryptonem, że jest ciałem stałym, a nie gazem. Oznacza to, że znacznie łatwiej go przechowywać i transportować. Z drugiej strony, żeby oprzeć na nim napęd jonowy, trzeba go przekształcić w gaz… Ale jod ma tę cenną właściwość, że podgrzany sublimuje, czyli przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do gazowego, z pominięciem stanu ciekłego. Dodatkowo jest go całkiem łatwo zjonizować. I okazało się, że jodowy silnik jonowy sprawdza się nawet lepiej, niż ksenonowy! Okazał się lżejszy, tańszy i w sumie bardziej efektywny. Pozwoli to satelitom realizować bardziej skomplikowane misje i to mniejszym kosztem.
Firma planuje dalej rozwijać system, co pozwoli na stosowanie go w satelitach różnego rozmiaru i przeznaczenia. Czy kiedyś doczekamy się załogowych misji, w których źródło napędu będzie stanowił silnik jonowy? Trochę wątpię, ponieważ ze względu na niski ciąg misje trwałyby bardzo długo, a statki pokoleniowe to jednak pieśń baaardzo odległej przyszłości. Ale nawet jeśli nowy silnik jonowy “tylko” ułatwi bezzałogowe misje międzyplanetarne, to i tak będzie to duży postęp. Jeśli chodzi o eksplorację kosmosu, to żyjemy w naprawdę ciekawych czasach!
Źródła:
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03384-8
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04015-y
Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!