محرك دفع بالبلازما

محرك الدفع البلازمي هو نوع من أنواع الدفع الكهربائي الذي يولّد قوة دفع من بلازما شبه متعادلة . وهذا يختلف عن محركات الدفع الأيوني ، التي تولد قوة دفع من خلال استخلاص تيار أيوني من مصدر البلازما ، والذي يتم تسريعه بعد ذلك إلى سرعات عالية باستخدام شبكات من الأنودات . وتوجد هذه المحركات بأشكال عديدة (انظر الدفع الكهربائي ). ومع ذلك، في الأدبيات العلمية، يشمل مصطلح "محرك الدفع البلازمي" أحيانًا محركات الدفع التي تُصنف عادةً على أنها " محركات أيونية ". ^{[ 1 ]}

لا تستخدم محركات البلازما عادةً شبكات الجهد العالي أو الأنودات/ الكاثودات لتسريع الجسيمات المشحونة في البلازما، بل تستخدم التيارات والجهود التي يتم توليدها داخليًا لتسريع الأيونات، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة العادم نظرًا لعدم وجود جهود تسريع عالية.

يتميز هذا النوع من المحركات النفاثة بعدة مزايا. فغياب شبكات الأنودات ذات الجهد العالي يزيل أحد العوامل المحددة المحتملة الناتجة عن تآكل الأيونات في الشبكة. كما أن غازات البلازما الخارجة "شبه متعادلة"، أي أن الأيونات الموجبة والإلكترونات موجودة بأعداد متساوية، مما يسمح بإعادة تركيب بسيطة بين الأيونات والإلكترونات في غازات العادم لتحييدها، وبالتالي الاستغناء عن مدفع الإلكترونات ( الكاثود المجوف). غالبًا ما يُولّد هذا النوع من المحركات النفاثة بلازما المصدر باستخدام طاقة الترددات الراديوية أو طاقة الموجات الدقيقة ، وذلك باستخدام هوائي خارجي . هذه الميزة، بالإضافة إلى غياب الكاثودات المجوفة (الحساسة لجميع الغازات باستثناء الغازات النبيلة )، تتيح إمكانية استخدام هذا المحرك النفاثة مع مجموعة متنوعة من المواد الدافعة، بدءًا من الأرجون وصولًا إلى مخاليط ثاني أكسيد الكربون والهواء وحتى بول رواد الفضاء . ^{[ 2 ]}

تُعد محركات البلازما مناسبة تمامًا للمهام بين الكواكب نظرًا لقوة دفعها النوعية العالية. ^{[ 3 ]}

قامت العديد من وكالات الفضاء بتطوير أنظمة دفع البلازما، بما في ذلك وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الإيرانية والجامعة الوطنية الأسترالية ، التي شاركت في تطوير دافع مزدوج الطبقات . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

استُخدمت محركات البلازما لأول مرة في الفضاء من قِبل الاتحاد السوفيتي على متن المركبة الفضائية زوند 2. واستخدمت المركبة ستة محركات دفع بلازما نبضية (PPTs) كمشغلات لنظام التحكم في وضعها. وتم اختبار نظام الدفع لمدة 70 دقيقة في 14 ديسمبر 1964 عندما كانت المركبة على بُعد 4.2 مليون كيلومتر من الأرض. ^{[ 6 ]}

في عام 2011، تعاونت وكالة ناسا مع شركة بوسيك لإطلاق أول محرك دفع يعمل بتأثير هول على متن القمر الصناعي تاكسات-2 . وكان هذا المحرك هو نظام الدفع الرئيسي للقمر الصناعي. وفي العام نفسه، أطلقت الشركة محرك دفع آخر يعمل بتأثير هول. ^{[ 7 ]} وفي عام 2020، نشرت جامعة ووهان بحثًا حول نفاثة البلازما . ^{[ 8 ]} إلا أن تقديرات قوة الدفع المنشورة في ذلك البحث تبين لاحقًا أنها تفوق المستويات النظرية الممكنة بتسعة أضعاف تقريبًا، حتى مع تحويل 100% من طاقة الموجات الميكروية المدخلة إلى قوة دفع. ^{[ 9 ]}

تُطوّر شركة أد أسترا روكيت صاروخ البلازما المغناطيسية ذي الدفع النوعي المتغير (VASIMR). وتُنتج شركة نوتيل الكندية مولدات الترددات الراديوية بقدرة 200 كيلوواط اللازمة لتأيين الوقود. وتُجرى بعض اختبارات المكونات وتجارب "إطلاق البلازما" في مختبر بمدينة ليبيريا، كوستاريكا . ويقود هذا المشروع رائد الفضاء السابق في وكالة ناسا، الدكتور فرانكلين تشانغ دياز (مركز أبحاث الفضاء - الولايات المتحدة الأمريكية). 

أعلن تحالف كوستاريكا للفضاء عن تطوير دعامة خارجية لجهاز VASIMR ليتم تركيبه خارج محطة الفضاء الدولية . وكان من المتوقع أن تُجرى هذه المرحلة من خطة اختبار VASIMR في الفضاء عام 2016.

تتميز محركات البلازما بدفع نوعي ( Isp ₎ أعلى بكثير من معظم أنواع تقنيات الصواريخ الأخرى. يمكن التحكم في قوة دفع محرك VASIMR للحصول على دفع يتجاوز 12000  ثانية، بينما وصلت محركات Hall إلى حوالي 2000  ثانية. يُعد هذا تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بوقود الصواريخ الكيميائية التقليدية ثنائي الوقود، والذي يتميز بدفع نوعي يبلغ حوالي 450 ثانية. ^{[ 10 ]} بفضل الدفع العالي، تستطيع محركات البلازما الوصول إلى سرعات عالية نسبيًا لفترات تسارع طويلة. ويزعم رائد الفضاء السابق تشانغ دياز أن محرك VASIMR قادر على إرسال حمولة إلى المريخ في غضون 39 يومًا فقط. ^{[ 11 ]}

تُشيد بعض محركات البلازما، مثل محرك الهيليكون الصغير، ببساطتها وكفاءتها. وتعتمد نظرية تشغيلها على مبدأ بسيط نسبياً، ويمكنها استخدام مجموعة متنوعة من الغازات أو تركيبات منها.

تشير هذه الخصائص إلى أن محركات البلازما لها قيمة في العديد من مهام الفضاء. ^{[ 12 ]}

لعلّ التحدي الأكبر الذي يواجه جدوى محركات البلازما هو متطلبات الطاقة. ^{[ 5 ]} فعلى سبيل المثال، يحتاج محرك VX-200 إلى 200  كيلوواط من الطاقة الكهربائية لإنتاج  قوة دفع مقدارها 5 نيوتن، أي ما يعادل 40  كيلوواط/نيوتن. يمكن تلبية هذه المتطلبات من الطاقة بواسطة مفاعلات الانشطار النووي، ولكن قد تكون كتلة المفاعل (بما في ذلك أنظمة طرد الحرارة) باهظة للغاية. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ومن التحديات الأخرى تآكل البلازما. فخلال التشغيل، يمكن للبلازما أن تتسبب في تآكل حراري لجدران تجويف المحرك وهيكل الدعم، مما قد يؤدي في النهاية إلى تعطل النظام. ^{[ 15 ]}

في المتوسط، توفر محركات البلازما قوة دفع قصوى تبلغ حوالي 2 رطل. ^{[ 10 ]} تنخفض قوة الدفع إلى الصفر تقريبًا عند التشغيل في الغلاف الجوي، لذا فإن محركات البلازما غير مناسبة للإطلاق إلى مدار الأرض.

• دفع المركبات الفضائية بالطاقة الكهربائية
• شراع مغناطيسي
• رحلات الفضاء

• محرك بلازما صغير من نوع ميني هيليكون
• التحكم في انفصال التدفق فوق جناح طائرة باستخدام نفاثة البلازما المتدفقة بشكل مشترك
• ديناميكيات وتحكم تدفق الدوامة خلف جسم أمامي مخروطي نحيف بواسطة زوج من مشغلات البلازما