عندما نفكر في السفر إلى الفضاء ، فإننا نميل إلى تصور صاروخ ضخم ينطلق من الأرض ، مع تيارات انفجار ضخمة من النار والدخان يخرج من القاع ، بينما تكافح الآلة الهائلة للهروب من جاذبية الأرض. ولكن بمجرد أن تكسر المركبة الفضائية روابط الجاذبية مع الأرض ، لدينا خيارات أخرى لتشغيلها. يتم استخدام الدفع الأيوني ، الذي لطالما حلم به في الخيال العلمي ، لإرسال المجسات والمركبات الفضائية في الرحلات الطويلة عبر الفضاء.
بدأت ناسا لأول مرة في البحث عن الدفع الأيوني في عام 1950. في عام 1998 ، تم استخدام الدفع الأيوني بنجاح كنظام الدفع الرئيسي على متن مركبة فضائية ، مما أدى إلى تشغيل Deep Space 1 (DS1) في مهمته إلى الكويكب 9969 Braille و Comet Borrelly. تم تصميم DS1 ليس فقط لزيارة كويكب ومذنب ، ولكن لاختبار اثني عشر تقنية متقدمة وعالية المخاطر ، أهمها نظام الدفع الأيوني نفسه.
تولد أنظمة الدفع الأيوني كمية صغيرة من الدفع. امسك تسعة أرباع في يدك ، وتشعر بأن جاذبية الأرض تسحبها ، ولديك فكرة عن قوة الدفع التي يولدها. لا يمكن استخدامها لإطلاق المركبات الفضائية من أجسام ذات جاذبية قوية. تكمن قوتهم في الاستمرار في توليد الدفع بمرور الوقت. هذا يعني أنها يمكن أن تحقق سرعات عالية جدًا. يمكن للدوافع الأيونية أن تدفع المركبات الفضائية بسرعات تزيد عن 320،000 كيلوبت / ساعة (200،000 ميل / ساعة) ، ولكن يجب أن تكون قيد التشغيل لفترة طويلة لتحقيق هذه السرعة.
الأيون هو ذرة أو جزيء إما فقد أو اكتسب إلكترونًا ، وبالتالي لديه شحنة كهربائية. إذن التأين هو عملية إعطاء شحنة لذرة أو جزيء ، عن طريق إضافة أو إزالة الإلكترونات. بمجرد الشحن ، سيرغب أيون في التحرك فيما يتعلق بالمجال المغناطيسي. هذا هو جوهر محركات الأيونات. لكن بعض الذرات أكثر ملاءمة لذلك. تستخدم محركات أيونات ناسا عادةً الزينون ، وهو غاز خامل ، لأنه لا يوجد خطر حدوث انفجار.
في محرك أيون ، الزينون ليس وقودًا. لا يتم احتراقها ، وليس لها خصائص متأصلة تجعلها مفيدة كوقود. يجب أن يأتي مصدر الطاقة لمحرك أيوني من مكان آخر. يمكن أن يكون هذا المصدر الكهرباء من الخلايا الشمسية ، أو الكهرباء المولدة من تسوس الحرارة من المواد النووية.
يتم إنشاء الأيونات عن طريق قصف غاز الزينون بإلكترونات عالية الطاقة. بمجرد شحنها ، يتم رسم هذه الأيونات من خلال زوج من الشبكات الإلكتروستاتيكية - تسمى العدسات - عن طريق شحناتها ، ويتم طردها خارج الغرفة ، مما ينتج عنه دفعًا. يسمى هذا التفريغ الشعاع الأيوني ، ويتم حقنه مرة أخرى بالإلكترونات ، لتحييد شحنته. إليك مقطع فيديو قصير يوضح كيفية عمل محركات الأيونات:
على عكس الصاروخ الكيميائي التقليدي ، حيث يكون دفعه محدودًا بكمية الوقود التي يمكنه حملها وحرقها ، فإن الدفع الناتج عن محرك أيوني محدود فقط بقوة مصدره الكهربائي. كمية الوقود الدافع التي يمكن أن تحملها السفينة ، في هذه الحالة الزينون ، هي مصدر قلق ثانوي. استخدمت المركبة الفضائية Dawn التابعة لوكالة ناسا 10 أوقيات فقط من وقود الزينون - وهو أقل من علبة الصودا - لمدة 27 ساعة من التشغيل.
من الناحية النظرية ، لا يوجد حد لقوة المصدر الكهربائي الذي يشغل المحرك ، ويتم العمل على تطوير دفعات أيون أكثر قوة مما لدينا حاليًا. في عام 2012 ، عملت Xenon Thruster (NEXT) من وكالة ناسا بسرعة 7000 واط لأكثر من 43000 ساعة ، مقارنةً بمحرك الأيونات على DS1 الذي استخدم 2100 واط فقط. NEXT ، والتصميمات التي ستتجاوزها في المستقبل ، ستسمح للمركبات الفضائية بالذهاب في مهام موسعة إلى العديد من الكويكبات والمذنبات والكواكب الخارجية وأقمارها.
تشمل المهمات التي تستخدم الدفع الأيوني مهمة Dawn التابعة لناسا ، ومهمة Hayabusa اليابانية إلى الكويكب 25143 Itokawa ، ومهمات ESA القادمة Bepicolombo ، والتي ستتوجه إلى عطارد في 2017 ، و LISA Pathfinder ، والتي ستدرس موجات الجاذبية منخفضة التردد.
مع التحسين المستمر في أنظمة الدفع الأيونية ، ستنمو هذه القائمة فقط.
