На протяжении многих лет космические аппараты и ракеты приводились в движение химическими двигателями, например, за счет сжигания ракетного топлива для создания тяги. Эти ракетные двигатели настолько сложны, что лишь три страны в истории смогли вывести людей на орбиту. Кроме того, они крайне неэффективны: если бы ракета летела с Земли на Марс, две трети ее массы пришлось бы отвести под топливо! Новые технологии побудили ученых и исследователей экспериментировать с электрическими двигателями и их модификациями, чтобы найти более эффективные способы создания тяги для космических аппаратов и спутников.
В результате этих исследований электрический двигатель, использующий йод, успешно прошел испытания на орбите, что может привести к появлению нового поколения высокопроизводительных двигателей в будущем. Эти двигатели также будут меньше, проще и экономичнее, чем современные аналоги.
Электрические двигатели для космических аппаратов
Традиционные ракеты используют химические реакции для создания тяги. Электрические двигатели создают тягу, ускоряя рабочие тела (например, заряженные ионы) с помощью электричества и выбрасывая их из ракеты. Электрические двигатели создают значительно меньшую тягу по сравнению с химическими, поэтому их нельзя использовать для запуска космических аппаратов с Земли. Однако, оказавшись на орбите, аппараты часто переходят на электрические двигатели, так как они чрезвычайно эффективны для создания тяги.
Современные электрические двигатели обычно используют в качестве рабочего тела ксенон — редкий и дорогой элемент. Ксенон также требует больших герметичных баков и сложной системы насосов, клапанов и труб для транспортировки внутри космического аппарата. Одним из возможных альтернативных вариантов, который исследователи считают перспективным в течение последних 20 лет, является йод.
Йод — это минерал, который добавляют в соль и используют в качестве антисептика. Он значительно дешевле и доступнее ксенона, а также может храниться в твердом виде. Это устраняет необходимость в герметичных баках: когда минерал нужен, его нагревают, превращая в газ, и транспортируют в нужное место. Это не только упрощает конструкцию космического аппарата, но и делает двигатели на йоде более эффективными, чем ксеноновые, как показали наземные испытания.
Проблемы использования йода
Использование йода в качестве рабочего тела для электрического двигателя сопряжено с некоторыми трудностями. Йод — это высококоррозийный минерал, что может вызвать проблемы на космическом аппарате, который в основном состоит из металла и содержит множество электронных компонентов. Кроме того, двигательная система может быть повреждена, если твердый йод расколется на части во время запуска. Однако недавно первый электрический двигатель на йоде был выведен в космос и показал, что может эффективно работать.
Этот эксперимент доказал ученым и исследователям, что даже небольшие космические аппараты могут оснащаться электрической двигательной системой благодаря значительно меньшим размерам йодного двигателя. Двигатель, получивший название NPT30-12, имеет размеры примерно 10 см × 10 см и весит около 1,2 кг. Он использовался для создания тяги китайского спутника Beihangkongshi-1, масса которого составляет около 20 кг.
Этот миниатюрный спутник маневрировал в космосе с помощью йодного двигателя, увеличив свою высоту почти на 3,2 км. Успешный эксперимент не только подтвердил, что йод является жизнеспособным рабочим телом, но и показал, что он почти вдвое эффективнее ксенонового двигателя. Это связано с тем, что йод значительно легче ионизировать, чем ксенон. В результате успешного испытания была запущена производственная линия для создания большего количества таких двигателей.
Будущее двигательных систем?
Команда инженеров, разработавших этот йодный двигатель, достигла того, о чем сообщество разработчиков двигателей мечтало годами. Чтобы устранить проблему коррозии, они использовали полимеры и керамику для защиты металлических компонентов спутника. Чтобы предотвратить разрушение йода во время запуска, они интегрировали кристаллы йода в пористый керамический блок. Эта команда стала пионером в разработке йодных двигателей и активно делится своими исследованиями. Они надеются, что их работа проложит путь для других производителей, которые смогут создавать собственные йодные двигатели.
Этот новый тип двигателя может изменить способ маневрирования крупных спутниковых сетей, таких как мегасозвездие Starlink компании SpaceX. В настоящее время большинство малых спутников не имеют двигательных систем из-за своих размеров. Компактные йодные двигатели станут идеальным дополнением для таких спутников, помогая им оставаться на орбите, избегать столкновений и переходить с одной орбиты на другую.
В будущем планируется увеличить мощность йодных двигателей, чтобы они могли обеспечивать энергией более крупные спутники на орбите Земли и даже миссии в глубокий космос. Эта новая технология делает двигательные системы доступными для всех, включая университеты и стартапы, что, несомненно, ускорит развитие и внедрение йодных двигателей.
Другие формы электрических двигателей также находятся в разработке, например, тот, который тестирует NASA. Солнечный электрический двигатель устранит необходимость в рабочем теле на борту, что еще больше уменьшит массу космического аппарата и обеспечит его неограниченной энергией в пределах досягаемости подходящей звезды. Одно можно сказать точно: электричество сыграет важную роль в будущем космических двигательных систем!
Что вы думаете об этих новых йодных двигателях? Считаете ли вы, что электрическая тяга когда-нибудь станет достаточно мощной, чтобы заменить химическую? Или она останется ограниченной малыми спутниками и аппаратами, уже находящимися на орбите?
