فضاپیماهایی که با پیشرانش الکتریکی کار میکنند، ممکن است بهزودی در برابر اثرات مخرب خروجیهای خود بهتر محافظت شوند، آنهم به لطف شبیهسازیهای جدید با ابررایانهها.
پیشرانش الکتریکی جایگزینی کارآمدتر برای موشکهای شیمیایی سنتی است و از زمان استفاده آزمایشی آن در مأموریتهای Deep Space 1 ناسا در سال 1376 و SMART-1 آژانس فضایی اروپا در سال 1381، به طور فزایندهای در مأموریتهای علمی برجسته مانند مأموریتهای Dawn و Psyche ناسا به کمربند سیارکها مورد استفاده قرار گرفته است. حتی برنامههایی برای استفاده از پیشرانش الکتریکی در ایستگاه فضایی Lunar Gateway ناسا وجود دارد.
ایده اصلی پیشرانش الکتریکی این است که جریان الکتریکی اتمهای یک گاز خنثی مانند زنون یا کریپتون را که در فضاپیما ذخیره شده، یونیزه میکند (یعنی الکترون را از آن جدا میکند). این فرایند، ابری از یونها و الکترونها تولید میکند. سپس، با استفاده از پدیدهای به نام اثر هال، میدان الکتریکی ایجاد میشود که یونها و الکترونها را شتاب میدهد و آنها را در یک پرتو آبی رنگ که با سرعتی بیش از 60,000 کیلومتر در ساعت از فضاپیما خارج میشود، هدایت میکند. به همین دلیل، این سیستم پیشرانش به نام موتور یونی نیز شناخته میشود.
بر اساس قانون سوم نیوتن، هر کنش واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. بنابراین، پرتاب یونها از فضاپیما نیروی پیشرانی ایجاد میکند. البته، تولید شتاب با این روش کمی زمانبر است، زیرا با وجود سرعت بالای یونها، تراکم آنها کم است. در نتیجه، ضربهای که تولید میشود به اندازه موشکهای شیمیایی قدرتمند نیست، اما موتورهای یونی سوخت کمتری مصرف میکنند و در نتیجه جرم کمتری نیاز دارند که هزینه پرتاب را کاهش میدهد. همچنین این موتورها سوخت خود را به سرعت موشکهای شیمیایی تمام نمیکنند.
انرژی لازم برای میدانهای الکترومغناطیسی اغلب توسط صفحات خورشیدی تأمین میشود و به همین دلیل این فناوری گاهی با نام پیشرانش خورشیدی الکتریکی شناخته میشود. اما برای مأموریتهایی که دور از خورشید هستند و نور خورشید ضعیفتر است، میتوان از انرژی هستهای، مانند ژنراتورهای رادیوایزوتوپ حرارتی (RTG)، برای تأمین انرژی پیشرانش الکتریکی استفاده کرد.
اگرچه پیشرانش الکتریکی اکنون در حال بلوغ است و در مأموریتهای مختلف استفاده میشود، اما فناوری بینقصی نیست. یکی از مشکلات مهم این است که پرتو یونی میتواند به فضاپیما آسیب بزند. با اینکه پرتو از فضاپیما به سمت بیرون هدایت میشود، الکترونهای موجود در پرتو ممکن است در جهت معکوس حرکت کرده و به اجزای فضاپیما مانند صفحات خورشیدی، آنتنهای ارتباطی و سایر بخشهای حساس برخورد کنند. این مسئله میتواند عملکرد فضاپیما را مختل کند.
چن کوئی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا در این رابطه میگوید: «برای مأموریتهایی که ممکن است سالها طول بکشند، موتورها باید بهطور روان و مداوم در طولانیمدت کار کنند.»
برای رفع این مشکل و محافظت از فضاپیما در برابر الکترونهای برگشتی، ابتدا باید رفتار این الکترونها در پرتو موتور یونی به دقت درک شود. در این راستا، چن کوئی و جوزف وانگ از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی شبیهسازیهایی با استفاده از ابررایانهها انجام دادهاند تا رفتار ترمودینامیکی الکترونها و تأثیر آنها بر ویژگیهای کلی پرتو را مدلسازی کنند.
کوئی توضیح میدهد: «این ذرات ممکن است کوچک باشند، اما حرکت و انرژی آنها نقش مهمی در تعیین دینامیک کلان پرتو منتشرشده از موتور پیشرانش الکتریکی ایفا میکند.»
بر اساس یافتههای کوئی و وانگ، رفتار الکترونها در پرتو بسته به دمای آنها و سرعتشان متفاوت است. به گفته کوئی: «الکترونها مانند تیلههایی هستند که درون یک لوله جمع شدهاند. در داخل پرتو، الکترونها داغ و سریع حرکت میکنند و دمای آنها در جهت پرتو تغییر چندانی نمیکند. اما اگر این تیلهها از مرکز لوله خارج شوند، شروع به خنک شدن میکنند. این خنک شدن بیشتر در جهتی رخ میدهد که عمود بر جهت پرتو است.»
به عبارت دیگر، الکترونهای موجود در هسته پرتو که سریعترین حرکت را دارند، دمای تقریباً ثابتی دارند، اما الکترونهای بیرونی زودتر خنک میشوند، سرعتشان کاهش مییابد و از پرتو خارج میشوند، که ممکن است دوباره به فضاپیما بازگردند و به آن برخورد کنند.
اکنون که دانشمندان درک بهتری از رفتار الکترونها در پرتو یونی پیدا کردهاند، میتوانند این یافتهها را در طراحیهای آینده موتورهای پیشرانش الکتریکی به کار ببرند تا بازگشت الکترونها را محدود کرده یا آنها را بیشتر در هسته پرتو متمرکز کنند. این به نوبه خود میتواند مأموریتهای مجهز به پیشرانش الکتریکی را طولانیتر و مؤثرتر کند و امکان سفرهای دورتر را فراهم آورد.