EM propulzija

Elektromagnetski pogon

  1. Uvod

Osnovno načelo elektromagnetskog (EM) pogona je stvaranje ioniziranog materijala i prikladnom arhitekturom elektromagnetskog polja proizvesti kolimirani mlaz koji proizvodi silu na svemirsku letjelicu u suprotnom smjeru. Vanjski izvor energije koristi se za ioniziranje materije i ubrzanje do određene brzine. Suprotno ovom mehanizmu je kemijski pogon gdje je osnovni mehanizam pretvaranje toplinske energije koja nastaje kemijskom reakcijom dva reaktanata u kinetičku energiju produkata. Bitna razlika između ove dvije vrste pogona je u tome što dok EM bitno ovisi o vanjskom izvoru energije kemijski je ograničen energijom koja se oslobađa u reakciji. Budući da je potisna sila proporcionalna brzini izlazećeg toka materije, gornja granica je ona u kemijskom pogonu dok u EM ovisi samo o obilju izvora energije. To ima velike posljedice na putovanja u svemir, jer je omjer korisnog tereta i goriva od presudne važnosti. Da bi se ovo jasnije vidjelo postoji odnos

gdje je v zbroj svih promjena brzina svemirske letjelice potrebnih za prelazak iz točke A u točku B, a V je brzina mlaza. Pod gorivom se podrazumijeva oksidant i gorivo. Stoga, koliko se korisnog tereta prevozi za određenu masu goriva ovisi samo o omjeru dviju brzina, a ne i o masi protoku materije na ispuhu. Masa protoka ulazi u dva važna parametra: vrijeme za postizanje krajnje brzine

i maksimalno ubrzanje kada se gorivo potroši

gdje je mt brzina protoka mase.

  1. Potreba snage za pogon

Minimalna snaga koja je potrebna za pogon procjenjuje se iz kinetičke energije mase materije koja istječe iz raketnog motora. Dakle, ako je protok mase 1 kilogram u sekundi, tada je najmanja snaga V2 / 2. Za najmoćniji kemijski pogonski motor koji se temelji na mješavini vodika i kisika izlazna brzina mlaza je V = 4400 m / s te je najmanja snaga 9,68 MW. Izgaranje dva reaktanata stvara oko 14,4 MW što je dovoljno za pogon, višak se ne može upotrijebiti jer se raspršuje u okoliš i zagrijava gorivo. S druge strane, izlazna brzina za EM pogon može biti bilo koja, a za V = 100 000 m / s minimalna snaga je 5 GW. Međutim, ovdje se očekuje da je potrebna dodatna snaga za ioniziranje materije.

  1. Ionizacija

Gorivo za EM pogon dolazi u obliku neutralnih atoma ili molekula koje su ionizira da bi se ubrzalo elektromagnetskim poljem. Glavni kriterij za izbor vrste goriva je njegova ionizacijska energija; trebala bi biti što je moguće manja. Isto tako važno je da goriva ima u obilju ali se taj  kriterij ovdje ne uzima u obzir. Ionizacija je vrlo zahtjevna za energijom ako je potrebna velika količina iona kao što je to za putovanje u svemir. Za vrstu goriva koje ima 1eV energiju ionizacije jednog elektrona (jedinica koja se koristi za atome i molekule) potrebna snaga za proizvodnju 1 kg tvari u sekundi je 96,5 MW / M (M je molarna / atomska masa). Energija ionizacije atoma je na slici

dok su za neke dvo-atomske molekule ovdje navedene. Potrebna energija za ionizaciju 1 kg tvari mogla bi biti smanjena ioniziranjem čestica s većom masom. Premda je za ionizaciju potrebna manja energija, za ubrzavanje istih do određene brzine potrebno je uložiti više energije budući je prioritet maksimizirati masu korisnog tereta na štetu goriva. Potrebnu snagu za pogon, vrijeme za postizanje krajnje brzine i krajnje ubrzanje (ako su ljudi dio korisnog opterećenja) svi su još faktori koje  treba uzeti u obzir pri odabiru pravog goriva.

Postoji mnogo mehanizama za proizvodnju iona, ali većina ih je usmjerena prema minimalnim količinama u usporedbi s onim što je potrebno za učinkovitu pokretljivost svemirskih letjelica. Ono što je potrebno jest proizvodnja kilograma iona, ali osim snage potrebno je i upravljanje električnim strujama velike jakosti. Uklanjanje elektrona iz goriva uključuje jakost strujee 96 500 A / M po kilogramu ionizirane tvari.

  1. Izvor napajanja

Jedini kandidat kao izvor energije koji bi mogao napajati energiju za EM, osim solarne energije za sustave s mikro potiskom, koje sateliti koriste za korekciju orbite, je nuklearna energija. Kandidati su lanac fisije urana, plutonija ili torija sa energetskom gustoćom od oko 80 000 G Joule / kg. To je sasvim dovoljno za čak i vrlo zahtjevne pogonske sustave. Međutim, postoji problem pretvorbe kinetičke energije fragmenata fisije u električnu energiju, pa dosad nije pronađen vrlo učinkovit mehanizam za to, koji bi također uzeo u obzir potrebu za najmanje zahtjevnim prostorom i masom. Torij je vrlo obećavajući izvor snage, ali tehnologija za iskorištavanje njegovog energetskog sadržaja još nije dovoljno razvijena za široku upotrebu.