Silnik jonowy. Jak działa, gdzie jest wykorzystywany i jak daleko można dzięki niemu polecieć w kosmos?

W tym artykule:

1. Czym się różni silnik jonowy od tradycyjnego napędu rakietowego?
2. Silnik jonowy – zasada działania
3. Silnik jonowy – zalety i wady
4. Jeśli nie silnik jonowy, to jaki?

Sama nazwa „silnik jonowy” kojarzy się z jonami. Jony to atomy lub grupy atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, które mają niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. W przypadku silników chodzi o jony gazów szlachetnych. Najpierw jednak przypomnijmy, jak działa powszechnie stosowany chemiczny silnik rakietowy.

Marzenia o lataniu. Gdybyśmy mieli skrzydła...

Stojąc na szczycie smaganej lodowatym wiatrem piaszczystej wydmy w Karolinie Północnej, z ekscytacją przygotowuję się do spełnienia marzenia, które łączy mnie z Leonardem da Vinci: będ...

Czym się różni silnik jonowy od tradycyjnego napędu rakietowego?

Silniki rakietowe działają podobnie jak silniki samochodowe. Spalają paliwo, takie jak nafta czy ciekły wodór. W efekcie powstają gorące gazy, wylatujące z dużą prędkością z dyszy silnika i dające rakiecie napęd. Jednak paliwo chemiczne jest ciężkie i musi być dobrze chronione. Często jego składnikiem jest ciekły tlen, który z łatwością uszkadza wiele materiałów. Dlatego tradycyjny napęd rakietowy jest dość powolny i nie nadaje się do dalekich podróży.

Silnik jonowy – zasada działania

Silnik jonowy działa na innej zasadzie. W tym przypadku rakieta jest napędzana przez gaz szlachetny – ksenon albo argon. Nie wchodzi on w reakcje chemiczne. Można go natomiast szybko podgrzać za pomocą energii elektrycznej. Powstaje wówczas zjonizowany gaz.

Ile kosztuje lot w kosmos? Sprawdź!

Wielkimi krokami zbliżamy się do ery kosmicznej turystyki. Ile kosztuje lot w kosmos? Czy każdy, kto jest w stanie zapłacić odpowiednio wysoką cenę, może wyruszyć na kosmiczną odyseję?

Silnik jonowy składa się z zasobnika z gazem i elektromagnetycznej „grzałki”. Zasilanie zapewnia jej źródło elektryczności: baterie radioizotopowe lub panele fotowoltaiczne. W przyszłości teoretycznie może to być reaktor termojądrowy.

Taki napęd nie pozwala na wystartowanie pojazdu z Ziemi. Tu nadal potrzebne są tradycyjne silniki chemiczne. Za to silnik jonowy dobrze sprawdza się w przestrzeni kosmicznej, przynajmniej na krótszych dystansach.

Napędzana takim silnikiem sonda Dawn dotarła do pasa asteroid po niespełna czterech latach lotu, rozpędzając się do 41 tys. km/godz. Zużyła w tym celu 425 kg ksenonu. Inne sondy kosmiczne o napędzie jonowym to:

• Deep Space 1,
• Hayabusa,
• Smart 1,
• LISA Pathfinder,
• BepiColombo,
• DART.

Silniki jonowe są też wykorzystywane w niektórych satelitach. Dzięki nim możliwe są korekty orbity.

Silnik jonowy – zalety i wady

Silniki jonowe mogą otworzyć nam drogę w kosmos, znacznie zmniejszając koszty i czas transportowania sond kosmicznych, a w przyszłości także ładunków np. dla baz załogowych. Wraz z bateriami słonecznymi silnik jonowy ma tworzyć podstawę SEP. To system napędu kosmicznego oparty na energii odnawialnej. Panele słoneczne będą zaopatrywać silnik w potrzebną elektryczność, którą ten spożytkuje do pracy.

Rakieta księżycowa SLS przechodzi kluczowy test. Co wiemy o rakiecie będącej koniem pociągowym programu Artemis?

„Próba generalna na mokro” – tak nazywa się runda trzydniowych testów Space Launch System (SLS). To ciężka rakieta księżycowa, która ma być główną siłą nowego programu księżyc...

Na razie górna granica prędkości silników jonowych sięga ok. 320 tys. km/godz. (0,029 proc. prędkości światła). Oznacza to, że za pomocą takiego napędu na Marsa dolecimy w 1 miesiąc. Ale to nadal zbyt mało, by w sensownym czasie dolecieć do jakiegokolwiek innego układu planetarnego. Podróż do Alfa Centauri, pobliskiej gwiazdy, zajęłaby nam aż 18 tys. lat.

Problemem jest też masa pędna, czyli zapasy gazu szlachetnego. Gdy się wyczerpią, nie sposób uzupełnić ich w czasie lotu przez przestrzeń kosmiczną.

Jeśli nie silnik jonowy, to jaki?

Istnieje niewiele alternatyw dla tradycyjnych silników rakietowych i silników jonowych:

10 wynalazków z czasów II wojny światowej, z których wciąż korzystamy

Wojna to koszmar, z tym dyskutować się nie da. Jednak towarzyszący jej wyścig technologiczny przynosi czasem wynalazki, które zostają z nami i okazują się nieodzowne w czasach pokoju. Pozna...

• żagle słoneczne – napęd statkowi zapewnia światło, uderzające w ogromną, bardzo cienką płachtę materiału. Energia fal świetlnych popycha żagiel i przyczepiony do niego pojazd, stopniowo go rozpędzając. Maksymalna prędkość to 49,6 mln km/godz. (4,6 proc. prędkości światła). Do większych pojazdów ten napęd się jednak nie nadaje;
• żagle laserowe – do popychania pojazdu nie wykorzystujemy światła słonecznego, lecz bardzo silną wiązkę laserową. Zespół ogromnych laserów znajdujący się np. na Ziemi może stopniowo rozpędzić pojazd do ogromnej prędkości, rzędu 280,6 mln km/godz. (26 proc. prędkości światła). Podobnie jak przy żaglach słonecznych, kluczowe znaczenie ma tu jednak masa statku kosmicznego. Cięższy pojazd, np. stutonowa rakieta załogowa, poruszałaby się bardzo wolno – lot do gwiazd trwałby tysiące lat;
• napęd nuklearny – już w latach 50. XX wieku powstał pomysł, by wykorzystać ziemski arsenał atomowy do napędu rakiety o nazwie Orion. Detonowane za nią bomby miałyby szybko rozpędzać pojazd do ogromnych prędkości – nawet 143,9 mln km/godz. (12 proc. prędkości światła) Taki napęd jednak nigdy nie został zbudowany. Rakiety z silnikami nuklearnymi byłyby ogromne i bardzo kosztowne.

Podróż do jądra niedoszłej planety. NASA szykuje misję na Psyche – asteroidę zbudowaną z cennych metali

Wystartowała misja NASA mająca zbadać planetoidę Psyche. Ten krążący między Marsem a Jowiszem relikt po formowaniu się Układu Słonecznego jest prawdziwym skarbcem wiedzy i zasobów natur...