נאסא בודקת מנוע ליתיום פלזמה עבור מאדים ומתעדת כוח שיא

נאס”א ערכה בדיקה מוצלחת של מדחף פלזמה ליתיום במעבדת הנעה סילון (JPL) שלה בקליפורניה. הטכנולוגיה הגיעה לרמות הספק של 120 קילוואט, שיא חדש למערכות הנעה חשמליות בארצות הברית. התקדמות זו מהווה אבן דרך משמעותית בפיתוח של תחבורה יעילה יותר בחלל עמוק, עם פוטנציאל לחולל מהפכה במשימות מאוישות למאדים.

התוצאה שנקבעה על ידי בדיקת הדחף המגנטופלסמדינמית (MPD) מאותתת על שינוי חשוב בדרך שבה בני אדם יוכלו לנוע במערכת השמש. היוזמה היא חלק מהמאמץ המתמשך של הסוכנות לחקור ולהטמיע פתרונות הנעה המקצרים באופן דרסטי את זמני המעבר לנסיעות בין-כוכביות. החידוש מבטיח להפוך את הגישושים העתידיים לנגישים ומהירים יותר.

רשום פרטי מבחן ב-JPL

הניסוי החדשני, שנערך בתוך תא הוואקום המיוחד של JPL, דימה את התנאים הקיצוניים של החלל. מתקן זה תוכנן במיוחד לטיפול בבטחה בחומרי הנעת אדים מתכתיים. לראשונה מזה שנים, מדחף MPD המונע על ידי ליתיום ירה בעוצמה העולה על כל מערכת הנעה חשמלית הפועלת כיום על חלליות אמריקאיות. הצלחה היא תוצאה של חודשים של הכנה.

המערכת פועלת על ידי הפיכת אדי ליתיום לפלזמה מואצת אלקטרומגנטית. זה מתרחש באמצעות אינטראקציה של זרמים חשמליים עזים עם שדות מגנטיים רבי עוצמה. בליבו של המדחף, אלקטרודת טונגסטן עמדה בטמפרטורות העולה על 2,760 מעלות צלזיוס. הוא נשאר ליבון במשך חמישה מחזורי הצתה רצופים, והפגין יציבות יוצאת דופן. הבדיקה סיפקה נתונים חיוניים לשיפור מתמיד של המערכת.

ג’ארד אייזקמן, מנהל נאס”א, הדגיש את חשיבות ההישג. “בנאס”א, אנחנו עובדים על הרבה דברים בו-זמנית ולא מאבדים את מראה המאדים”, אמר אייזקמן. “הביצועים המוצלחים של הדחף שלנו במבחן זה מדגימים התקדמות אמיתית לקראת שליחת אסטרונאוט אמריקאי לדרוך על הכוכב האדום. זו הפעם הראשונה בארצות הברית שמערכת הנעה חשמלית פועלת ברמות הספק גבוהות כל כך, ומגיעות ל-120 קילוואט. נמשיך לבצע השקעות אסטרטגיות שיניעו את הקפיצה הגדולה הבאה קדימה לחקר החלל האנושי”.

עשרות שנים של פיתוח ותפקיד הליתיום

לרעיון מאחורי דחפי MPD יש היסטוריה ארוכה, החל ממחקר החל בשנות ה-60. עם זאת, המעבר מתיאוריה למערכת הנעה פונקציונלית דרש התקדמות הדרגתית לאורך עשורים רבים. שלא כמו דחפים חשמליים קונבנציונליים, המשתמשים בשדות חשמליים כדי להאיץ יונים, מנועי MPD משתמשים גם בזרמים חשמליים וגם בשדות מגנטיים כדי ליצור דחף. גישה זו מאפשרת פעולת הספק גבוה משמעותית.

ב-JPL, המבחן האחרון הזה הוא השיא של יותר משנתיים של פיתוח ממוקד. זה בוצע במסגרת תוכנית ההנעה הגרעינית בחלל של נאס”א. שיתוף פעולה עם אוניברסיטת פרינסטון ומרכז המחקר גלן של נאס”א היה חיוני להתקדמות. מהנדסים רואים בליתיום חומר הנעה אידיאלי בשל אנרגיית היינון הנמוכה שלו ומאפייני הפלזמה היעילים שלו.

ג’יימס פולק, מדען מחקר בכיר ב-JPL, הביע את התרגשותו מהתוצאה. “תכנון ובניית הדחפים הללו במהלך השנתיים האחרונות היו תהליך ארוך שהגיע לשיאו במבחן הראשון הזה”, אמר פולק. “זה רגע מאוד חשוב עבורנו, כי לא רק שהוכחנו שהחומר ההנעה עובד, אלא גם הגענו לרמות ההספק שהיינו כמטרה. אנחנו יודעים שיש לנו פלטפורמת בדיקה טובה להתחיל להתמודד עם האתגרים של הרחבת הייצור”. הנתונים שנאספו יהיו בסיסיים לסדרת ניסויים חדשה.

https://twitter.com/WhiteHouse/status/2049581451809620135?ref_src=twsrc%5Etfw

• אלקטרודת טונגסטן, העומדת בטמפרטורות קיצוניות
• תא ואקום מיוחד המדמה את סביבת החלל
• אדי ליתיום כחומר הנעה, ידוע ביעילותו
• אינטראקציה של זרמים חשמליים עזים ושדות מגנטיים חזקים
• ניטור ובקרה מדויקים של כל הפרמטרים.

פוטנציאל למסע בין כוכבי מואץ

הנעה חשמלית כבר משחקת תפקיד מהותי בחקר החלל המודרני. משימות כמו החללית Psyche של נאס”א, למשל, משתמשות במדחפי יונים המופעלים על ידי שמש המספקים דחף מתמשך, אך נמוך, לתקופות ארוכות. מערכות אלו יכולות להגיע למהירויות של למעלה מ-200,000 קמ”ש לאורך זמן. הדחף MPD המופעל על ידי ליתיום משפר משמעותית את הרעיון הזה.

הוא פועל ברמות הספק גבוהות בהרבה, ומציע גם דחף גדול יותר וגם יעילות צריכת הנעה מעולה. שילוב חדשני זה עשוי להפחית באופן דרסטי את זמן הנסיעה הנדרש למשימות מאוישות ליעדים מרוחקים. יתר על כן, הטכנולוגיה מאפשרת הפחתה במסה הכוללת הנדרשת בעת ההשקה, תוך אופטימיזציה של משאבי המשימה.

מנועי ליתיום פלזמה מסוגלים גם להתמודד עם תשומות כוח בטווח מגה וואט. יכולת זו הופכת אותם למתאימים למערכות הנעה גרעיניות-חשמליות עתידיות, מרכיב חיוני באסטרטגיית מאדים ארוכת הטווח של נאס”א. מבחינה מעשית, המשמעות היא שחלליות יוכלו לשאת מטענים כבדים יותר ולהכיל צוותים גדולים יותר. הם ישמרו על מהירויות גבוהות במהלך נסיעה בין פלנטרית. הטכנולוגיה ממלאת פער טכנולוגי חשוב.

השלבים הבאים ואתגרים הנדסיים

למרות הצלחת המבחן הראשוני, עדיין צריך להתגבר על אתגרים הנדסיים ניכרים. זה הכרחי לפני שדחפי MPD יכולים להניע ביעילות משימה עם צוות למאדים. המטרה הבאה של נאס”א היא להרחיב את המערכת לטווח הספק בין 500 קילוואט ל-1 מגה וואט לכל מדחף. קנה מידה זה חיוני עבור יישומים רלוונטיים במשימות חלל עמוקות.

משימה עם צוות מלא למאדים עשויה לדרוש בין 2 ל-4 מגה וואט של הספק כולל. זה מרמז שמספר דחפים פועלים ברציפות במשך יותר מ-23,000 שעות. שמירה על ביצועים אלה לתקופות ממושכות כאלה מציגה בעיות מורכבות הקשורות לעמידות החומרים. אתגרים מתעוררים גם בניהול התרמי וביציבות המערכת הכוללת. רכיבים חייבים לעמוד בפני חום קיצוני וכוחות אלקטרומגנטיים ללא השפלה.

מהנדסים מתמקדים במיוחד בהבטחת שאלקטרודות ואלמנטים מבניים עומדים במחזורים חוזרים ונשנים ללא כשלים קריטיים. העבודה מתואמת על ידי מנהלת משימת טכנולוגיית החלל של נאס”א, בהנהגת מרכז טיסות החלל מרשל. מאמץ זה משלב פיתוח הנעה עם התקדמות בייצור כוח גרעיני. המטרה היא ליצור אסטרטגיה מגובשת שתאפשר משימות מאוישות למאדים בעשורים הקרובים.