شبیهسازیهای ابررایانهای برای پیشرفت فضاپیماها

به کمک شبیهسازیهای جدید با ابر رایانهها، این امکان فراهم شده تا فضاپیماهایی که با پیشرانه الکتریکی کار میکنند، به زودی در برابر گازهای خروجی خود بهتر محافظت شوند. پیشرانه الکتریکی یک جایگزین کارآمدتر برای حاملهای فضایی شیمیایی سنتی محسوب میشود که کاربرد زیادی در ماموریتهای فضایی دارد.
کاربرد نمونههای اولیه این پیشرانه الکتریکی در فضاپیمای دیپ اسپیس ۱ (Deep Space 1) ناسا و اسمارت ۱ (SMART-1) آژانس فضایی اروپا (ESA) در سالهای ۱۹۹۸ و ۲۰۰۳ آغاز شد؛ پس از آن نیز در ماموریتهای علمی شاخص مانند ماموریتهای داون (Dawn) و سایکی (Psyche) ناسا به کمربند سیارکی به کار گرفته شدند؛ حتی برنامههایی نیز برای استفاده از آن در ایستگاه فضایی دروازه ماه (Lunar Gateway) ناسا وجود دارد.
نحو عملکرد پیشرانه الکتریکی
ایده پشت پیشرانه الکتریکی این است که یک جریان الکتریکی، اتمهای گاز خنثی مانند زنون یا کریپتون را که در فضاپیما ذخیره شدهاند، یونیزه میکند.

طی فرآیند یونیزاسیون، یونها و الکترونها تولید میشوند و بعدا با ایجاد یک میدان الکتریکی به وسیله اصل موسوم به «اثر هال» (Hall effect)، این یونها شتاب میگیرند تا به شکل یک ستون آبیرنگ با سرعت بیش از ۶۰ هزار کیلومتر در ساعت از فضاپیما خارج شوند. از این رو، این سامانه پیشرانه الکتریکی به عنوان «موتور یونی» نیز در نظر گرفته میشود.
طبق نظریه سوم نیوتن، هر عمل یک واکنش برابر و مخالف دارد. در مورد فضاپیماها، زمانی که یونها با سرعت به بیرون پرتاب میشوند، اثر نیوتن باعث ایجاد نیروی محرکه (رانش) میشود، اما به دلیل پراکندگی بالای این یونها، مدتی طول میکشد تا تکانه ایجاد شود.
پیشرانههای یونی قدرتی کمتر از فضاپیماهای شیمیایی تولید میکنند، اما به دلیل نیاز به سوخت و جرم کمتر، هزینههای پرتاب را کاهش میدهند؛ این ویژگی به پیشرانههای یونی اجازه میدهد تا سوخت خود را به سرعت فضاپیماهای شیمیایی مصرف نکنند و برای زمان طولانیتری مورد استفاده قرار گیرند.
انرژی میدانهای الکترومغناطیسی اغلب توسط پنلهای خورشیدی تامین میشود و به همین دلیل، این فناوری گاهی اوقات به عنوان پیشرانه الکتریکی خورشیدی شناخته میشود؛ برای ماموریتهای دورتر از خورشید، جایی که تابش نور آن ضعیفتر است، میتوان از نیروی هستهای به شکل «ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ» (RTG) برای به حرکت درآوردن نیروی محرکه الکتریکی استفاده کرد.
اگرچه پیشرانه الکتریکی اکنون در حال توسعه است و در ماموریتهای گوناگون مورد استفاده قرار میگیرد، اما هنوز یک فناوری کامل نیست؛ در واقع، گاز پلاسما موجود در ستون یونی باعث آسیب به فضاپیما میشود.
الکترونها در پلاسما میتوانند به سمت فضاپیما منحرف شده و با اجزای آن برخورد کنند که این میتواند منجر به آسیب به پنلهای خورشیدی، آنتنهای ارتباطی و سایر قطعات آسیبپذیر شود؛ این شرایط نامناسب برای فضاپیما میتواند عملکرد آن را تحت تاثیر قرار دهد
چن کوی (Chen Cui)، پژوهشگر دانشگاه ویرجینیا (UVA) آمریکا، میگوید: «برای ماموریتهایی که ممکن است سالها طول بکشند، پیشرانههای الکتریکی باید به طور روان و پیوسته در دورههای زمانی طولانی کار کنند.»
کوی و جوزف وانگ (Joseph Wang)، پژوهشگر دانشگاه جنوبی کالیفرنیا (USC) آمریکا، برای محافظت از فضاپیما در برابر این الکترونهای پراکنده، رفتار الکترونهای پراکنده در ستون موتور یونی را شبیهسازی کردند تا رفتار ترمودینامیکی آنها و تاثیرشان بر ویژگیهای کلی ستون یونی را درک کنند. آنها دریافتند الکترونهای موجود در ستون، بسته به دما و سرعت خود رفتار متفاوتی دارند.
کوی میگوید: «الکترونها مانند گلولههای شیشهای در یک لوله هستند. الکترونهایی که در پرتو حرکت میکنند گرم و سریع هستند. اگر حرکت در جهت پرتو باشد، دما چندان تغییر نخواهد کرد، اما اگر از وسط لوله خارج شوند، شروع به خنک شدن میکنند. بیشتر خنک شدن در جهتی خاص و عمود بر جهت پرتو اتفاق میافتد.»
به عبارت دیگر، الکترونهایی که در هسته پرتو سریعتر حرکت میکنند، دمای ثابتی دارند، اما الکترونهای اطراف به سرعت خنک میشوند و سرعت آنها کاهش مییابند، سپس از پرتو بیرون میروند، به عقب پراکنده میشوند و به فضاپیما ضربه میزنند.
اکنون که دانشمندان بهتر رفتار الکترونها در پلاسماهای یون را درک کردهاند، میتوانند این اطلاعات را در طراحی موتورهای پیشرانش الکتریکی آینده به کار بگیرند و به دنبال راههایی برای کاهش پراکندگی یا محصور کردن الکترونها در هسته پرتو باشند؛ این کار در نهایت میتواند به ماموریتهایی که از نیروی محرکه الکتریکی نیرو میگیرند، کمک کند تا با کمک ستون یونی خود، دورتر و طولانیتر پرواز کنند.