الدفع الكهربائي ذو الانبعاث الميداني

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الدفع الكهربائي بالانبعاث الميداني ( FEEP ) هو مفهوم متطور للدفع الكهروستاتيكي في الفضاء، وهو شكل من أشكال دافع الأيونات ، يستخدم معدنًا سائلًا كوقود دافع - عادةً ما يكون السيزيوم أو الإنديوم أو الزئبق . [ 1 ]

يتكون جهاز FEEP من قطب باعث وقطب مُسرِّع. يُطبَّق فرق جهد مقداره 10  كيلو فولت تقريبًا بينهما، مما يُولِّد مجالًا كهربائيًا قويًا عند طرف سطح المعدن. يُولِّد التفاعل بين القوة الكهربائية والتوتر السطحي للمعدن السائل عدم استقرار سطحي، مما يُؤدي إلى ظهور مخاريط تايلور على سطح السائل. [ 2 ] عند قيم عالية كافية للمجال المُطبَّق، تُستخلص الأيونات من طرف المخروط عن طريق التبخر الميداني أو آليات مماثلة، ثم تُسرَّع كهربائيًا إلى سرعات عالية - عادةً 100  كم/ث أو أكثر. على الرغم من أن سرعة خروج الأيونات عالية، إلا أن كتلتها منخفضة جدًا، مما ينتج عنه قوى تسارع ضعيفة للغاية. وتكمن فائدتها في قوى التسارع المُستدامة على مدى فترات زمنية طويلة. [ 3 ]

نظراً لانخفاض قوة دفعها (في نطاق الميكرونيوتن (μN) إلى الميلي نيوتن (mN))، تُستخدم محركات الدفع FEEP بشكل أساسي للتحكم في وضعية المركبات الفضائية بدقة ميكروراديان وقوة ميكرونيوتن، كما هو الحال في مركبة LISA Pathfinder العلمية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا . كان من المقرر أيضاً تركيب محرك الدفع FEEP على مركبة Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer الفضائية، [ 4 ] ولكن تم استخدام محرك الدفع الأيوني الشبكي بدلاً منه. [ 5 ] أول محرك دفع FEEP تم تشغيله في الفضاء كان محرك IFM Nano Thruster، الذي تم تشغيله بنجاح في مدار أرضي منخفض عام 2018. [ 6 ]

المفهوم الأساسي

الدفع الكهربائي بالانبعاث الميداني (FEEP) هو أسلوب دفع كهرساكن يعتمد على تأيين المعدن السائل بواسطة مجال كهربائي، ثم تسريع الأيونات بواسطة مجال كهربائي قوي. تُستخدم عناصر حادة كالإبر لتعزيز قوة هذا المجال الكهربائي وتركيزها. تُغطى الإبرة بالمعدن السائل، مما يزيد من تسارع الأيونات إلى أقصى حد. [ 7 ]

يحظى نظام الدفع الإلكتروني ذو الطاقة الكهربائية (FEEP) باهتمام كبير في الأوساط العلمية حاليًا، نظرًا لخصائصه الفريدة: نطاق دفع يتراوح من أقل من ميكرونيوتن إلى ميلي نيوتن ، وإمكانية تشغيله وإيقافه بشكل شبه فوري، ودقة عالية في التحكم بالدفع (أفضل من جزء واحد من 10⁴ )، مما يتيح تعديلًا دقيقًا للدفع في كلٍ من الوضعين المستمر والنبضي. [ 8 ] يُعد هذا النظام حاليًا أساسًا للبعثات العلمية على متن الأقمار الصناعية عديمة السحب ، كما تم اقتراحه أيضًا للتحكم في وضعية الأقمار الصناعية التجارية الصغيرة والحفاظ على مداراتها.

يلزم وجود مصدر إلكتروني منفصل للحفاظ على تعادل المركبة الفضائية كهربائياً.

الوقود المعدني السائل

يمكن لهذا النوع من المحركات النفاثة تسريع عدد كبير من المعادن السائلة أو السبائك المختلفة. ويمكن الحصول على أفضل أداء (من حيث كفاءة الدفع ونسبة القدرة إلى الدفع) باستخدام معادن قلوية ذات وزن ذري عالٍ، مثل السيزيوم ( Cs ، 133  وحدة كتل ذرية) والروبيديوم ( Rb ، 85.5  وحدة كتل ذرية). تتميز هذه المواد الدافعة بجهد تأين منخفض (3.87 إلكترون فولت للسيزيوم و4.16 إلكترون فولت للروبيديوم)، ونقطة انصهار منخفضة (28.7 درجة مئوية للسيزيوم و38.9 درجة مئوية للروبيديوم)، وقدرة ترطيب ممتازة. [ 9 ]    

تؤدي هذه الخصائص إلى انخفاض فقد الطاقة الناتج عن التأين والتسخين، وإلى إمكانية استخدام الخاصية الشعرية للتغذية، أي لا حاجة إلى خزانات مضغوطة أو صمامات. علاوة على ذلك، تتميز المعادن القلوية بأقل ميل لتكوين قطرات متأينة أو أيونات متعددة الشحنات، مما يؤدي إلى أعلى كفاءة كتلة ممكنة. ويتم توليد الدفع الفعلي عن طريق إطلاق حزمة تتكون أساسًا من ذرات السيزيوم أو الروبيديوم أحادية التأين، والتي يتم إنتاجها عن طريق التبخر الميداني عند طرف الباعث.

يُوضع قطب تسريع (مُسرِّع) مباشرةً أمام الباعث. يتكون هذا القطب من صفيحة معدنية (عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ) مُشَكَّلة بشفرتين حادتين. عند الحاجة إلى قوة دفع، يُولَّد مجال كهربائي قوي بتطبيق فرق جهد عالٍ بين الباعث والمُسرِّع. في هذه الحالة، يدخل السطح الحر للمعدن السائل في حالة عدم استقرار موضعي، نتيجةً للتأثيرات المُجتمعة للقوة الكهروستاتيكية والتوتر السطحي. وهكذا تتشكل سلسلة من النتوءات البارزة، أو ما يُعرف بـ"مخاريط تايلور". عندما يصل المجال الكهربائي إلى قيمة في حدود 10⁹ فولت  /متر، تتأين الذرات الموجودة عند أطراف النتوءات تلقائيًا، وينطلق تيار أيوني بفعل المجال الكهربائي، بينما تُطرد الإلكترونات في كتلة السائل. يوفر مصدر خارجي للإلكترونات (مُعادِل) شحنات سالبة للحفاظ على التعادل الكهربائي العام لمجموعة الدفع.

باعث شقي

ظهرت مصادر أيونات المعادن السائلة (LMIS) القائمة على التأين الميداني أو التبخير الميداني في أواخر الستينيات، وسرعان ما انتشرت على نطاق واسع كمصادر أيونات بسيطة ورخيصة للعديد من التطبيقات. وفي عام 1972، بدأت وكالة الفضاء الأوروبية بتطوير نظام دفع كهربائي قائم على مبدأ الانبعاث الميداني باستخدام مصادر أيونات المعادن السائلة. [ 10 ] كما أصبح استخدام مصادر أيونات المعادن السائلة التي تعمل بالغاليوم أو الإنديوم أو المعادن القلوية أو سبائكها ممارسة شائعة في مطيافية الكتلة الأيونية الثانوية (SIMS) منذ سبعينيات القرن الماضي.

على الرغم من وجود تكوينات مختلفة لباعثات المجال، مثل باعثات الإبرة والشعيرية والشق، إلا أن مبدأ التشغيل واحد في جميع الحالات. ففي باعث الشق، على سبيل المثال، يُغذى دافع معدني سائل بواسطة الخاصية الشعرية عبر قناة ضيقة. يتكون الباعث من نصفين متطابقين مصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ، ومثبتين معًا بواسطة مشابك أو براغي. [ 11 ] تُرسَّب طبقة من النيكل، بالرش، على أحد نصفي الباعث، لتحديد محيط القناة المطلوب، وتُحدد ارتفاع القناة (المعروف أيضًا بارتفاع الشق، والذي يتراوح عادةً بين 1 و2 ميكرومتر ) وعرض القناة (المعروف أيضًا بطول الشق ، والذي يتراوح من 1 مليمتر إلى حوالي 7 سنتيمترات). [ 11 ] تنتهي القناة عند طرف الباعث، الذي يتكون من حواف حادة تقع مقابل قطب سالب، أو قطب مُسرِّع، ويفصل بينهما فجوة صغيرة (حوالي 0.6 مليمتر) من طرف الباعث. ويُطبَّق جهد استخلاص بين القطبين. يحمل الباعث جهدًا موجبًا بينما يكون المسرّع عند جهد سالب. ويؤثر المجال الكهربائي المتولد بين الباعث والمسرّع الآن على الوقود المعدني السائل.    

لا يُمكّن عرض الشق الضيق من التغذية الشعرية فحسب، بل يضمن أيضًا، عند دمجه مع حواف القناة الحادة المقابلة للمُسرِّع مباشرةً، الحصول على شدة مجال كهربائي عالية بالقرب من مخرج الشق. عند تعريض عمود المعدن السائل لهذا المجال الكهربائي، يبدأ بالتشوه، مُشكِّلًا نتوءات (مخاريط تايلور) تبرز من سطح السائل. ومع ازدياد حدة هذه النتوءات بفعل المجال الكهربائي، تزداد شدة المجال الكهربائي الموضعي بالقرب منها. عند بلوغ شدة المجال الكهربائي الموضعي حوالي 10⁹ فولت  /متر، تنتزع الإلكترونات من ذرات المعدن. تُجمَع هذه الإلكترونات عبر عمود المعدن السائل بواسطة جدران القناة، وتُسرَّع الأيونات الموجبة بعيدًا عن السائل عبر فجوة في قطب المُسرِّع السالب بواسطة المجال الكهربائي نفسه الذي أنشأها.

طُوِّرت باعثات الشقوق لزيادة مساحة انبعاث المحرك النفاث بهدف الحصول على مستويات دفع أعلى وتجنب السلوك غير المنتظم الذي يُلاحظ في الباعثات المفردة. وتكمن الميزة الجوهرية لباعثات الشقوق مقارنةً بالإبر المتراصة في آلية الضبط الذاتي التي تتحكم في تكوين وإعادة توزيع مواقع الانبعاث على سطح المعدن السائل وفقًا لمعايير التشغيل؛ في المقابل، في مصفوفة الإبر المتراصة، لا يمكن أن توجد مخاريط تايلور إلا على الأطراف الثابتة، مما يُهيئ ترتيبًا هندسيًا لا يتوافق إلا مع حالة تشغيل واحدة محددة.

تصاميم أخرى

تم تصنيع باعثات شقّية ذات عرض شقّ متنوع؛ وتتوفر حاليًا أجهزة بعرض شقّ يتراوح بين 2  مم و7 سم. وتعمل هذه الأجهزة، التي تغطي نطاق دفع من 0.1 ميكرونيوتن إلى 2 ملي نيوتن ، باستخدام السيزيوم أو الروبيديوم .   

تم الإبلاغ عن تصميم وحدة FEEP المصغرة المزودة بباعث على شكل تاج ليتناسب مع هيكل CubeSat القياسي في عام 2017.

تصميم FEEP أحادي الباعث بقيمة 0.5 ملي نيوتن متوفر تجاريا، [ 12 ] ويقترب تطوير نسخته المصفوفة من الاكتمال كما في عام 2018. [ 13 ] 

مراجع

  1. ↑ ماسوتي، ل. (2021). مهمة الجاذبية من الجيل التالي وتأهيل دافع mN-FEEP الذي يعمل بالإنديوم . مجلة CEAS الفضائية. ص  2.
  2. ↑ باسو، سوراف (2010). مراجعة تحليلية لنظام الدفع الكهربائي للأقمار الصناعية الفضائية . INCAS. ص 7. 
  3. ↑ ديفيليس، ديفيد (7 ديسمبر 2004). "ناسا - الدفع الأيوني: أبعد، أسرع، أرخص" . www.nasa.gov . مؤرشف من الأصل في 11 نوفمبر 2020. تم الاطلاع عليه في 3 فبراير 2023 .
  4. ↑ تقرير جدوى مشروع FEEP (ملف PDF) . وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) (تقرير). مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 14 مارس 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 سبتمبر 2018 .
  5. ↑ "مستكشف مجال الجاذبية ودوران المحيط في الحالة المستقرة (GOCE)" (ملف PDF) . وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 14 مارس 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 سبتمبر 2018 .
  6. ↑ كريجسي، ديفيد. عرض توضيحي لمحرك الدفع النانوي IFM FEEP في مدار أرضي منخفض . ريسيرش جيت (تقرير) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 مارس 2019 .
  7. ↑ ماسوتي، ل. (2021). مهمة الجاذبية من الجيل التالي وتأهيل دافع mN-FEEP الذي يعمل بالإنديوم . مجلة CEAS الفضائية. ص 7. 
  8. ↑ ماركوتشيو، س.؛ جينوفيز، أ.؛ أندرينوتشي، م. (سبتمبر-أكتوبر 1998). "الأداء التجريبي للمحركات النفاثة الدقيقة ذات الانبعاث الميداني" (ملف PDF) . مجلة الدفع والطاقة . 14 (5): 774-781 . doi : 10.2514/2.5340 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 20 مايو 2013.
  9. ↑ كراميدا، أ.؛ رالتشينكو، يو.؛ ريدر، ج.؛ وفريق NIST ASD (5 فبراير 2023). "قاعدة بيانات الأطياف الذرية NIST (الإصدار 5.10)، [ متاحة عبر الإنترنت ] " . قاعدة بيانات الأطياف الذرية NIST . تم الاطلاع عليها في 5 فبراير 2023 .
  10. ^ ميترور، ج. (1987). مصادر أيونات المعدن السائل كدافعات للدفع الفضائي الكهربائي . جورنال دي فيزيك كولوكويس. ص. 173. 
  11. 1 2 ميترور، ج. (1987). مصادر أيونات المعدن السائل كدافعات للدفع الفضائي الكهربائي . جورنال دي فيزيك كولوكويس. ص. 172. 
  12. ↑ "محرك IFM Nano Thruster للأقمار الصناعية المكعبة بسعر 30,000 يورو" . متجر الأقمار الصناعية المكعبة .
  13. ↑ "محرك الدفع النانوي IFM 350 - IOD" . وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) .