ساخت تاسواره مجهز به پیشرانه پلاسمایی
در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای دانشکده انرژی دانشگاه پرینستون (Princeton University)، تعدادی از دانشجویان مشغول ساخت ماهوارهای مکعبی یا تاسواره (CubeSat) هستند و قرار است از آن بهعنوان بستری آزمایشی برای ساخت پیشرانه کوچک فضاپیمایی با ویژگیهای منحصر به فرد استفاده نمایند. دستگاه پیشرانه پیشنهادی که نیرویش را از پلاسما میگیرد، قادر است مدارهای گردش تاسواره را تغییر داده و آنها را بالاتر یا پایینتر ببرد. این قابلیت که درحالحاضر بهطور گسترده در فضاپیماهای کوچک وجود ندارد، میتواند به اکتشاف در اعماق فضا کمک کند.
در برنامه توسعه پیشرانه تاسواره که هدایت آن را یوگنی ریتسس (Yevgeny Raitses) برعهده دارد، پژوهشگران امیدوار هستند انعطافپذیری ماهوارههای کوچکی را افزایش دهند که تاکنون بیش از هزار نمونه از آنها بهوسیله دانشگاهها، مراکز پژوهشی و تجاری سرتاسر جهان به فضا پرتاب شده است. ریتسس میگوید: «ما اساسا قادر خواهیم بود که از این پیشرانه مینیاتوری برای مأموریتهای بسیاری استفاده کنیم.»
ماساکی یامادا (Masaaki Yamada)، یکی از اعضای این پروژه میگوید: «ناوگانی متشکل از صدها عدد از این نوع تاسوارهها میتواند فرایند اتصال مجدد در مگنتوسفر (میدان مغناطیسی اطراف زمین) را با جزئیاتی کامل ثبت نماید.» یامادا پژوهشگر اصلی آزمایش اتصال مجدد مغناطیسی در آزمایشگاه مذکور است که در آن اتصال مجدد مغناطیسی را مطالعه میکند. اتصال مجدد مغناطیسی جدایی و اتصال انفجاری خطوط میدان مغناطیسی موجود در پلاسما است که آغاز شفقهای قطبی و شعلههای خورشیدی و طوفانهای زمینمغناطیسی را موجب میشود. این رویدادها میتوانند موجب اختلال در سرویس تلفن و شبکههای برق روی زمین گردند.
مقیاس موتور مینیاتوری در آزمایش پیشرانه هال (Hall Thruster Experiment) آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون تا حد پیشرانهای استوانهای با هندسه نسبت حجم به سطح قابل توجهی کاهش پیدا کرد. در این آزمایش، استفاده از پلاسما (حالتی از ماده که متشکل از الکترونهای شناور آزاد و هستههای اتمی یا یونها است) برای پیشران فضایی بررسی میشود. یکی از مزیتهای اصلی پیشرانه استوانهای کوچک هال، قابلیت تولید تراکم بیشتری از نیروی رانش فضاپیما است که در مقایسه با پیشرانههای پلاسمایی موجود که در بیشتر تاسوارههای فعلی استفاده میشوند، بیشتر است. پیشرانه مینیاتوری جدید میتواند به افزایش تراکم و همچنین تکانه ویژهی زیادی برسد (اصطلاح تخصصی برای بیان میزان بهرهوری سوخت یک فضاپیما) که بسیار بیشتر از چیزی است که بهوسیله فضاپیماهای شیمیایی و پیشرانههای گازسردی حاصل میشود که بهطور معمول روی ماهوارههای کوچک استفاده میشوند.
پژوهشگران دانشگاه پرینستون درکنار مدل شاسی تاسواره
پیشرانههای دارای تکانه ویژه زیاد از سوخت بسیار کمتری استفاده میکنند و میتوانند مأموریتهای ماهوارهای طولانیتری انجام دهند؛ از این رو مقرون به صرفهتر هستند. علاوه بر این، تکانه ویژه زیاد میتواند به حد کافی موجب افزایش نیروی حرکتی ماهواره شود و به فضاپیما اجازه تغییر مدار را بدهد؛ قابلیتی که در تاسوارههای فعلی در حال گردش دور زمین وجود ندارد. درنهایت، چگالی قابل توجه نیروی رانش به ماهوارهها این امکان را خواهد داد تا گردشهای مداری پیچیده را با مصرف سوخت بهینه در زمان مناسب به انجام برسانند. این قابلیتها مزایای زیادی دارد؛ برای مثال، تاسواره ممکن است برای ردیابی طوفانها یا نظارت بر تغییر خطوط ساحلی به مدار پایینتر تغییر مکان بدهد و وقتی نیروی کششی روی ماهواره ضعیفتر است و به سوخت کمتری برای پیشرانش نیاز دارد، به مدار بالاتر بازگردد.
تاسواره یکفوتی که پژوهشگران پرینستون به آن لقب تایگرست (TigerSat) دادهاند، از سه مکعب آلومینیومی چهار اینچی تشکیل شده است که بهصورت عمودی بههم چسبیدهاند. حسگرها، باتریها، تجهیزات رادیویی و دیگر ابزارها درون این تاسواره قرار خواهند گرفت و پیشرانهای مینیاتوری که تقریبا به اندازه قطر دو کوارتر (سکه آمریکایی) است، در هر انتها قرار داده میشود. وقتی ماهواره از استوای زمین عبور کند، پیشرانه برای تغییر مدار روشن خواهد شد. در ساخت این تاسواره در دانشگاه پرینستون، دانشجویان و استادان متعددی مشارکت کردند.
جاکوب سیموندز (Jacob Simmonds)، یکی از دانشجویانی است که در این پروژه مشارکت کرده است؛ وی درباره تاسواره میگوید: «این پروژه به عنوان نمونهای اولیه از تاسواره یامادا (Yamada) آغاز شد و سپس، بهعنوان بستری آزمایشی برای پروژه پیشرانه پلاسمایی تکامل یافت.»
در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون، مرکز آزمایشی نیز برای شبیهسازی جنبههای مهم عملیات تاسواره در حال ساخت است. دنیل مارلو (Daniel Marlow)، یکی دیگر از اعضای این گروه میگوید: «دانشجویان و مشاوران آنها تا حدی که سوالهای بهخوبی تعریف شده مرتبط با پروژه تایگرست را شناسایی کردهاند، میتوانند به ارزش کار مستقل پی برند. همچنین، در برخی از مجموعه سوالهای دوره فیزیک مقدماتی که به دانشجویان کارشناسی آموزش میدهم، سوالهایی درباره برنامه پرواز تایگرست وجود دارد.»
سیموندز درحالیکه مشغول کار روی پیشرانه است، طرحی پیشنهادی برای ابتکار در پرتاب تاسواره ناسا تهیه میکند که قرار است در ماه نوامبر انجام شود. هزینه انجام پروژههای انتخابی این طرح ابتکاری که به ترویج مشارکتهای فناورانه عمومی و خصوصی و توسعه فناوریهای کمهزینه منجر میشود نیز تامین خواهد شد. ناگفته نماند طبق برنامهریزی، ماهواره تایگرست در پاییز ۲۰۲۱ پرتاب میگردد.