Revontulista apua uuden rakettimoottorin tekemiseen
ESA on ottanut askeleen eteenpäin avaruusalusten työntövoimatekniikan kehityksessä, kun uudenlainen rakettimoottori on toiminut laboratorio-olosuhteissa. Laitteesta tekee kiinnostavan se, että sen periaate on lainattu revontulien plasmaleikistä taivaalta.
"Periaatteessa moottori toimii samaan tapaan kuin revontulet", selittää tohtori Roger Walker ESAn uusia tekniikoita tutkivasta ryhmästä. "Kun aurinkotuuli, eli Auringosta ulospäin virtaava sähköisesti varautuneiden kaasuhiukkasten plasmavirta osuu Maan magneettikenttään, se synnyttää kahdesta plasmakerroksesta koostuvan rajakerroksen. Plasma on sähköisesti varautunutta kuumaa ainetta, ja kun kumpikin näistä kerroksista on ominaisuuksiltaan hieman erilainen, kiihtyy osa hiukkasista raja-alueen ulkopuolelle, jolloin ne törmäävät Maan ilmakehään ja synnyttävät revontulia."
Kaksinkertainen plasmakerros on kuin sähköstaattinen vesiputous: siinä missä vesiputouksessa vesimolekyylit saavat vauhtia putouksen korkeuserosta ja painovoimalta, saavat sähköisesti varatut hiukkaset voimaa eri varauksisilta plasmakerroksilta.
Ensimmäisen kerran kaksinkertaisen plasmakerroksen onnistuivat muodostamaan australialaistutkijat Christine Charles ja Rod Boswell Canberrassa sijaitsevassa Australian kansallisessa yliopistossa vuonna 2003, ja jo he ymmärsivät, että ilmiötä voitaisiin käyttää myös uudenlaisten rakettimoottorien tekemiseen. Työ johti erityisen työryhmän muodostamiseen ja Helicon -nimisen kaksikerrosmoottorin prototyypin tekemiseen.
Euroopan avaruusjärjestön Adriana-tutkimusohjelman osana Pariisissa sijaitsevassa Ecole Polytechniquessa tehty koe todistaa Australiassa saadut tulokset ja osoittavat selvästi, että kaksi plasmakerrosta saadaan muodostettua ja pysymään paikoillaan hallituissa olosuhteissa, ja että niiden avulla pystytään saamaan aikaan varattujen hiukkasten tasainen virta. Tutkimus osoitti myös, että stabiili kerrosrakenne voidaan synnyttää erilaisilla polttoaineena käytettävien kaasujen seoksilla.
"Yhteistyö ESAn kanssa on ollut erinomaista", kiittää Ecole Polytechniquen plasmatekniikan ja fysiikan laboratorion Pascal Chabert. "Se on auttanut työtämme ja antanut paljon uusia ideoita plasmatyöntövoimakonseptien kehittämiseen. Tämä uusi suunta tutkimuksellemme on johtanut jo uudenlaisen sähköisen rakettimoottorin, elektronegatiivisen plasmatyöntövoimalaitteen, patenttiin."
Chabert työryhmineen käytti kaksikerrosplasmarakenteen synnyttämiseen koveran putken ympärille nidottua radioantennia. Putkeen pumpattiin tasaisesti argonkaasua, mihin antenni kohdisti 13 MHz:n taajuudella kierteistä radiosäteilyä. Radioaallot ionisoivat kaasua ja muuttivat sen plasmaksi. Putken päässä oleva erisuuntainen magneettikenttä pakotti putkesta ulospäin liikkuvan plasman laajenemaan, jolloin sisäänpäin virtaava ja ulospäin kulkeva plasma muodostivat kaksi erilaista plasma-aluetta, joiden väliin muodostui kaksoisplasmakerros. Se puolestaan kiihdytti putkesta virtaavaa argonplasmaa yliäänennopeuteen, jolloin ulospäin syöksyvä suurinopeuksinen kaasuvirta synnytti työntövoimaa.
Laskelmien mukaan Helicon-kaksikerrosmoottori on nyt käytössä olevia sähköisiä ionimoottoreita olennaisesti tehokkaampi. ESAn SMART-1 - kuuluotaimen ionimoottoreihin verrattuna Helicon on vain hieman suurempi kooltaan, mutta se synnyttäisi samalla polttoaineenkulutuksella moninkertaisesti työntövoimaa - sen teho voisi olla jopa 100 kW.
Seuraavaksi plasman käyttäytyminen moottorissa ja sen ympärillä mallinnetaan tarkasti tietokonesimulaation avulla, minkä jälkeen tulokset varmennetaan laboratoriokokein. Tämän jälkeen moottorista valmistetaan lentokelpoinen koekappale, jota testataan avaruudessa. Tulosten perusteella tutkitaan mahdollisuutta tehdä myöhemmin voimakkaampi kokeellinen moottori.
