Nowy silnik jonowy NASA – świeci, popycha i bije rekordy

Silnik jonowy X3 – świeci niebieskim, podobnym do palnika kuchenki gazowej, światłem. Jest niesamowicie wydajny. No i ma zasadniczą wadę, którą właśnie udało się częściowo zlikwidować.

Silnik X3 skonstruowany przez współpracujących z NASA naukowców z University of Michigan przeszedł kolejne testy i po raz kolejny pokonał ustanowione wcześniej rekordy. Naukowcy mają nadzieję, że ten przełom przybliży wizytę Ziemian na Czerwonej planecie.

Silnik jonowy stał się nie tylko ulubionym napędem statków kosmicznych z powieści i filmów science fiction, ale – jak czytamy – na stronie NASA, wybierają go również pracujący dla Agencji inżynierowie i naukowcy. To co czyni ten rodzaj napędu tak bardzo pożądanym, to jego parametry techniczne. Równocześnie są one też jego piętą achillesową, którą próbuje wyeliminować silnik X3, nad którym pracują właśnie naukowcy z University of Michigan.

Długo pracuje, wolno się rozpędza

Rakietowe silniki chemiczne, np. te które wynoszą astronautów w przestrzeń kosmiczną mają stosunkowo małą wydajność (35%). Dostarczają ogromnej mocy, ale dzieje się to w bardzo krótkim czasie. Dla przykładu trzy główne silniki RS-25 wynoszące na orbitę amerykańskie wahadłowce, działały tylko przez 8,5 minuty, a każdy z nich miał siłę ciągu równą 2279 kN (w próżni) i ważył ok. 3,5 tony.

Ten silnik jonowy waży tylko 8 kg, ma 40 cm średnicy i może rozpędzić statek kosmiczny do prędkości rzędu 110 000 km/h. (zdjęcie: NASA)

Silniki jonowe są przeciwieństwem rakietowych silników chemicznych. Z efektywnością paliwową na poziomie 90% mogą pracować w kosmosie przez dziesiątki dni, a do swojej pracy potrzebują stosunkowo mało paliwa. Z tego względu od wielu lat wykorzystywane są do sterowania satelitami, które utrzymują je we właściwej pozycji w stosunku do Ziemi zaś w sondach kosmicznych służą jako główny napęd.

Minusem napędów jonowych jest ich mała siła ciągu. W odniesieniu do silników montowanych na satelitach, należałoby nawet powiedzieć, że bardzo mała, bo wynosi zaledwie 0,5 newtona. NASA w swoim opisie silników jonowych przyrównuje ją do siły z jaką na dłoń naciska dziesięć 25-centówek, które ważą w sumie ok. 50 gramów. Dmuchając z podobną siłą może uda nam się utrzymać kartkę papieru na ścianie, ale nie przebić się przez atmosferę Ziemi i wystartować.

Mały ciąg oznacza również, że pojazdy kosmiczne napędzane silnikami jonowymi bardzo wolno się rozpędzają (co powiecie na 10 000 godzin?), za to ich maksymalne prędkości robią wrażenie: 90 000 m/s versus 8000 m/s, jakie mogły osiągać amerykańskie wahadłowce.

Jonowy silnik elektrostatyczny o sile ciągu 92 mN wykorzystany został jako główny napęd wystrzelonej w 1998 roku sondy Deep Space 1. Podczas trwającej dwa lata misji pracował w sumie przez 16 246 godzin i zużył tylko 72,12 kg paliwa! Pokazuje to nie tylko jak bardzo jest to efektywny napęd, ale też oznacza, że mniej kilogramów trzeba wynieść w kosmos.

Tak wygląda prototypowy silnik NEXT (zdjęcie: NASA)

NASA ocenia, że najnowsze silniki jonowe, takie jak znacznie bardziej wydajny silnik NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT), są 10-12 razy efektywniejsze niż napędy chemiczne. Prototypowy silnik NEXT, który miał siłę ciągu 236 mN, pracował przez ponad 43000 godzin i zużył w tym czasie 770 kg ksenonu.

X3, czyli moc trzech

Jednak X3 jest inny niż wszystkie dotychczasowe silniki jonowe. Badacze z University of Michigan przy pomocy NASA i U.S. Air Force skonstruowali silnik Hala na „sterydach”. Jest to odmiana silnika jonowego, w którym jony ksenonu przyspieszane są polem elektrycznym. O tym, jak taki silnik działa opowiada poniższy film.

Napisałem, że był to silnik jonowy „na sterydach” nie bez powodu. Naukowcy wpadli bowiem na pomysł, że skoro napędy, jakie poleciały w kosmos na pokładzie Deep Space czy sondy Down (2 silniki ważące po 8,9 kg o maksymalnej sile ciągu 91 mN) są zbyt małe, to trzeba je powiększyć. Tak powstał X3 – znacznie większy niż poprzednie silniki jonowe. By jednak zminimalizować jego gabaryty – ma prawie metr średnicy i waży 227 kg – inżynierowie postanowili pojedynczy kanał, z którego wyrzucana jest wytwarzająca ciąg plazma, zastąpić trzema. Pozwoliło to uzyskać większy ciąg, bez powiększania średnicy silnika.

Komora próżniowa, w której testowano silnik X3. Jej opróżnianie z powietrza trwało 20 dni. (zdjęcie: NASA)

Podczas ostatnich testów, które odbyły się w komorze próżniowej NASA w Glenn Research Center, X3 pobił trzy rekordy jakimi mogą pochwalić się silniki jonowe. Osiągnął maksymalny ciąg równy 5,4 niutona – poprzednio było to 3,3 N. Dwukrotnie zwiększono również natężenie płynącego przez silnik prądu ze 112 do 250 amperów. Nieznacznie podniesiono też moc pobieraną przez X3: z 98 kW do 102 kW.

Silnik X3 uruchomiony przy mocy 50 kW. (zdjęcie: NASA)

W porównaniu z „silniczkami” z sond kosmicznych to gigantyczny postęp, ale jak powiedział kierownik projektu Alec Gallimore w wywiadzie udzielonym portalowi Space.com, to wciąż za mało: „To, czego potrzebowalibyśmy do eksploracji kosmosu przez człowieka to system, który będzie w stanie przetworzyć około 500 kW, milion a nawet więcej.” „Napędy chemiczne mogą przetwarzać miliony kilowatów mocy, podczas gdy istniejące silniki elektryczne osiągają jedynie 3-4 kilowaty” – powiedział Gallimore.

Tak czy inaczej, zmiana siły ciągu z poziomu 90 miliniutonów na ponad 5 niutonów oznacza kilkudziesięciokrotne przyspieszenie w drodze na Marsa.

Źródło, zdjęcie otwierające: Sonda Dawn (NASA)