Elektryczne silniki plazmowe typu Halla są przyszłością astronautyki, mają jednak istotną wadę: gazem roboczym jest w nich trudno dostępny i drogi ksenon. Naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie zbudowali silnik, w którym wykorzystają znacznie tańszy gaz szlachetny: krypton.
Jak informują specjaliści z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM), rakietowe silniki chemiczne są niezastąpione przy wynoszeniu ładunków w kosmos. Mają wielką siłę ciągu, lecz wykorzystują wyłącznie energię zgromadzoną w paliwie i działają zaledwie kilkadziesiąt sekund. W przestrzeni kosmicznej użyteczne stają się inne silniki, o znacznie mniejszym ciągu, za to działające dłużej – miesiącami lub nawet latami. Do urządzeń tego typu należą właśnie napędy plazmowe.
Silniki plazmowe typu Halla są jedną z odmian elektrycznych napędów kosmicznych. Stosuje się je od lat 70. ubiegłego wieku w bezzałogowych lotach kosmicznych. „Napędy plazmowe typu Halla to przyszłość astronautyki. Już dziś są poważną konkurencją dla klasycznych silników rakietowych, zwłaszcza jako napędy manewrowe do zmian orientacji satelitów i ich orbit oraz jako marszowe w sondach dalekiego zasięgu” – czytamy w komunikacie IFPiLM.
Dotychczas w silnikach plazmowych tego typu zazwyczaj wykorzystywany jest ksenon – pierwiastek drogi i trudno dostępny. W IFPiLM powstał napęd plazmowy typu Halla zaprojektowany do pracy z kryptonem, gazem szlachetnym nawet dziesięciokrotnie tańszym od ksenonu.
„Generatory strumieni plazmy są jednym z kierunków badawczych od lat rozwijanych w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy. Korzystając ze zgromadzonych doświadczeń, w maju 2008 roku nasz zespół przystąpił do budowy silnika plazmowego typu Halla z kryptonem jako gazem roboczym” – wyjaśnia odpowiedzialny za projekt dr Jacek Kurzyna z IFPiLM.
Jak tłumaczą specjaliści Instytutu pozyskanie kryptonu, innego gazu szlachetnego, jest nawet do dziesięciu razy tańsze. Co prawda wytwarzanie jonów kryptonu wymaga nieco większych energii niż w przypadku ksenonu, są one jednak lżejsze od ksenonowych i można je przyspieszać do tej samej prędkości za pomocą niższego napięcia.
„Nasz silnik był od początku rozwijany i optymalizowany do pracy z kryptonem. Musieliśmy odpowiednio zaprojektować konfigurację pola magnetycznego i odpowiadający jej obwód magnetyczny. Część elementów trzeba było wykonać w taki sposób, aby wytrzymały zwiększone obciążenia cieplne” – wyjaśnia doktorant Dariusz Daniłko z IFPiLM.
Wyniki badań nad kryptonowym silnikiem plazmowym znajdą zastosowanie także poza astronautyką. Akceleratory ciągłych strumieni plazmy są chętnie wykorzystywane w wielu procesach technologicznych, m.in. do czyszczenia powierzchni materiałów, jej uszlachetniania oraz nakładania cienkich warstw, np. węglowych o wytrzymałości diamentu. Zespół naukowców z IFPiLM opracował m.in. koncepcję nakładania cienkich warstw tlenkowych do zastosowań w ogniwach fotowoltaicznych.
Zbudowany egzemplarz silnika typu Halla to prototypowe urządzenie, przygotowywane do testów w warunkach próżniowych. „Jeśli testy wypadną pomyślnie, czeka nas jeszcze optymalizacja silnika i cała seria badań kwalifikacyjnych. Zgłoszenie projektu do Europejskiej Agencji Kosmicznej – ESA, w ramach Porozumienia o Europejskim Państwie Współpracującym, zawartego między Polską a ESA, zaowocowało pozytywną oceną” – wyjaśnia dr Kurzyna.
Projekt i budowa elektrycznego silnika plazmowego typu Halla zostały w całości sfinansowane przez Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy.
