Metal Plasma Ion Thruster

تعتمد الرحلات الفضائية على توازن دقيق بين السرعة والوقود. ولتغيير مدار قمر صناعي أو منعه من السقوط عائدًا إلى الأرض، يجب على المهندسين دفعه بقوة، ولكن كل كيلوغرام من الوقود يُحمل يضيف وزنًا يجب رفعه في المقام الأول. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة الأكثر كفاءة للقيام بذلك هي الدفع الكهربائي، الذي يستخدم الكهرباء لتسريع الغاز، وعادة ما يكون غازًا نبيلًا ثقيلًا مثل الزينون، إلى سرعات عالية جدًا. وبينما تعد هذه المحركات أكثر كفاءة في استهلاك الوقود من الصواريخ الكيميائية، إلا أنها تتطلب خزانات ضخمة لتخزين الغاز وأجهزة معقدة لضمان تدفقه إلى المحرك. وهذا يخلق قيدًا كبيرًا فيما يتعلق بالحجم، خاصة بالنسبة للأقمار الصناعية الصغيرة حيث كل سنتيمتر مكعب من المساحة يعد ثمينًا. لقد كان التحدي يتمثل في إيجاد طريقة تحافظ على الكفاءة العالية للدفع الكهربائي مع التخلص من خزانات الغاز الضخمة والآلات الثقيلة اللازمة لإدارتها.

يقترح بحث جديد أجراه ماهاديفان كريشنان من شركة "ألآميدا أبلايد ساينسز كوربوريشن" حلاً يستبدل الغاز بمعدن صلب. يقدم البحث جهازًا يسمى "محرك بلازما المعدن الأيوني" (MPIT). لا يخزن هذا المحرك الوقود كغاز؛ بل يحمل كتلة صلبة من المعدن، مثل الزنك أو النحاس أو البزموت. يعمل الجهاز على مرحلتين: أولاً، يستخدم شرارة كهربائية قصيرة وكثيفة لتبخير كمية ضئيلة من المعدن الصلب، محولًا إياها إلى سحابة من الجسيمات المشحونة المعروفة باسم البلازما. تتحرك هذه السحابة الأولية بسرعة جيدة، ولكن الابتكار الحقيقي يحدث بعد ذلك؛ حيث يستخدم المحرك مجموعة من الشبكات المشحونة، تشبه تلك الموجودة في محركات الأيونات التقليدية، للإمساك بأيونات المعدن هذه وتسريعها إلى سرعات أعلى بكما يمكن أن تحققها الشرارة الأولية وحدها. ومن خلال استخدام المعدن الصلب، يخزن المحرك الوقود بكثافة تزيد بمئات المرات عن الغاز المضغوط، مما يسم يسمح لقمر صناعي صغير بحمل ما يكفي من الوقود لمهام طويلة دون الحاجة إلى خزانات أو صمامات ثقيلة.

توضح الورقة كيف يتغلب هذا النظام على نقطة ضعف تاريخية في الدفع القائم على المعادن. فالنسخ السابقة من محركات بلازما المعادن، التي اعتمدت فقط على الشرارة الأولية لتوليد الدفع، أنتجت قوة أقل بكثير لكل وحدة طاقة مقارنة بمحركات الغاز. ويحل تصميم (MPIT) الجديد هذه المشكلة باستخدام بلازما المعدن فقط كمصدر للأيونات، والتي يتم تعزيزها بعد ذلك بواسطة نظام الشبكات لتوليد سرعات ودفع أعلى بكثير. وفي عمليات محاكاة جرت عند مستوى طاقة قدره 500 واط، وجد الباحثون أن محرك (MPIT) يمكنه إنتاج دفع يضاهي ما ينتجه محرك "هال" (Hall Effect thruster) القياسي، وهو نوع شائع من محركات الغاز، ولكن بكفاءة أعلى بكثير. فعلى سبيل المثال، مع استخدام البزموت كوقود، حقق المحرك "نبضًا نوعيًا" — وهو مقياس لكفاءة الوقود — يبلغ حوالي 3,881 ثانية، بينما يمكن للمغنيسيوم أن يرفع هذا الرقم إلى أكثر من 10,000 ثانية. وهذا يعني أن المحرك يستخدم وقودًا أقل بكثير لتحقيق نفس التغيير في السرعة، ولأن الوقود عبارة عن مادة صلبة كثيفة، فإن نظام الدفع بأكمله يشغل جزءًا ضئيلًا من الحجم الذي تتطلبه الأنظمة القائمة على الغاز.

أحد أكبر العقبات أمام محركات المعادن هو خطر انسداد الشبكات الدقيقة التي تسرع الأيونات. فعندما يصطدم بخار المعدن بالشبكة، يمكن أن يبرد ويتصلب، مما يؤدي في النهاية إلى سد الثقوب وإيقاف المحرك. وتتناول الدراسة هذه المشكلة من خلال اختيار معادن محددة، لا سيما الزنك، التي تتميز بدرجات انصهار منخفضة وتطاير عالٍ. وتظهر الحسابات أن الحرارة المتولدة من البلازما نفسها كافية لإبقاء سطح الشبكة ساخنًا بما يكفي لصهر أي زنك يهبط عليها. وهذا يخلق طبقة سائلة رقيقة على الشبكة تسمح للمعدن بالتبخر بدلاً من التراكم ليصبح كتلة صلبة. ويقترح الباحثون أنه من خلال تصميم المحرك بحيث يلتقط هذا المعدن المتبخر في درع واقٍ، يمكن للنظام العمل لفترات طويلة دون انسداد. ويسمح هذا النهج للمحرك بالحفاظ على دفع ثابت مع إبقاء تخزين الوقود مدمجًا وخاليًا من الأجزى المتحركة.

إن تداعيات هذه التكنولوجيا ذات أهمية خاصة للأقمار الصناعية الصغيرة و"كيوب ساتس" (CubeSats)، التي تفتقر غالبًا إلى المساحة الكافية لخزانات الغاز الكبيرة. وتشير الدراسة إلى أن قمرًا صناعيًا يزن 150 كيلوغرامًا يمكنه القيام بمناورات مدارية كبرى باستخدام نظام دفع يتسع لحجم بضعة لترات فقط، وهو حجم مستحيل بالنسبة لمحركات الغاز التقليدية. علاوة على ذلك، فإن قدرة المحرك على العمل في المدارات الأرضية المنخفضة جدًا، حيث يكون السحب الجوي مرتفعًا، توفر ميزة فريدة. فخلافًا لمحركات الغاز التي قد تعاني مع الكثافة المتغيرة للغلاف الجوي العلوي، فإن وقود المعدن الصلب محصن ضد البيئة القاسية للأكسجين الذري. ويقترح الباحثون أن هذه المحركات المعدنية يمكن أن تعمل جنبًا إلى جنب مع المحركات "المتنفسة للهواء"، مما يوفر نظام دعم احتياطي موثوق وعالي الكفاءة يمكن تشغيله عندما يزداد السحب بشكل غير متوقع.

تقدم الورقة هذه النتائج من خلال عمليات محاكاة مفصلة ونماذج نظرية، مستمدة من عقود من الأبحاث السابقة في مصادر بلازما المعادن وبصريات الأيونات. وبينما تؤكد الدراسة أن (MPIT) يمكنه نظريًا مضاهاة أداء محركات الغاز الراسخة مع تقديم بصمة فيزيائية أصغر بكثير، إلا أنها تقر بأن هذه التكنولوجيا لا تزال تتطلب مزيدًا من التطوير للوصብ إلى الحالة التشغيلية الكاملة. ويشير الباحثون إلى أن مشكلة تلوث الشبكة، رغم إمكانية حلها باختيار المعدن المناسب والتصميم الحراري الصحيح، تظل عائقًا عمليًا يجب إدارته بعناية. ومن خلال الجمع بين مصدر بلازما ناضج ونماذج تسريع أيونية متقدمة، يمثل محرك (MPIT) تحولًا محتملاً في كيفية تزويد الأقمار الصناعية الصغيرة بالطاقة، مما يوفر مسارًا لمهام أطول ومركبات فضائية أكثر قدرة دون عبء خزانات الوقود الثقيلة.