プラズマ推進は、天文学者や宇宙機関にとって非常に興味深いテーマです。従来の化学ロケットよりもかなりの燃料効率を提供する高度な技術として、それは現在、宇宙船や衛星から探査ミッションまですべてに使用されています。そして、将来を見据えて、流れるプラズマは、より高度な推進概念や磁場閉じ込め核融合のために調査されています。
しかしながら、プラズマ推進力に共通する問題は、それが「中和剤」として知られているものに依存しているという事実です。宇宙船を充電中立に保つことができるこの機器は、電力の追加消費です。幸いにも、ヨーク大学とエコールポリテクニックの研究者チームは、中和剤をまったく使用しないプラズマスラスタ設計を調査しています。
彼らの研究結果を詳述する研究-「高周波電場によって加速された流れるプラズマの過渡伝搬ダイナミクス」と題された-が今月初めに発表されました プラズマの物理学– アメリカ物理学会が発行したジャーナル。ヨーク大学のヨークプラズマ研究所の物理学者であるジェームズデンドリック博士が率いる彼らは、自己調整型プラズマスラスタのコンセプトを提示します。
基本的に、プラズマ推進システムは、電力に依存して推進ガスをイオン化し、それをプラズマ（すなわち、負に帯電した電子と正に帯電したイオン）に変換します。これらのイオンと電子は、エンジンノズルによって加速され、推力を生成して宇宙船を推進します。例としては、グリッドイオンおよびホール効果スラスタがあり、どちらも確立された推進技術です。
Griddenイオンスラスタは、宇宙用電気ロケットテスト（SERT）プログラムの一環として、1960年代と70年代に最初にテストされました。それ以来、NASAの 夜明け 現在、小惑星帯でセレスを探検しています。そして将来的には、ESAとJAXAはグリッドアイアンスラスタを使用してBepiColomboミッションを水星に推進することを計画しています。
同様に、ホール効果スラスタは、NASAとソビエト宇宙計画の両方によって1960年代から調査されてきました。これらは、ESAのAdvanced Research in Technology-1（SMART-1）ミッションの一部として最初に使用されました。 2003年に打ち上げられ、3年後に月面に衝突したこのミッションは、月に向かう最初のESAミッションでした。
述べたように、これらのスラスタを使用する宇宙船はすべて、それらが「チャージニュートラル」のままであることを保証するために中和装置を必要とします。従来のプラズマスラスタは、負に帯電したものよりも正に帯電した粒子を生成するため、これは必要です。このように、中和剤は正と負のイオン間のバランスを維持するために（負の電荷を運ぶ）電子を注入します。
ご想像のとおり、これらの電子は宇宙船の電力システムによって生成されます。つまり、中和装置は電力の追加のドレインです。このコンポーネントの追加は、推進システム自体がより大きく、より重くなる必要があることも意味します。これに対処するために、ヨーク/エコールポリテクニックチームは、独自にチャージニュートラルを維持できるプラズマスラスタの設計を提案しました。.
ネプチューンエンジンとして知られているこのコンセプトは、2014年にエコールポリテクニックのプラズマ物理学研究所（LPP）の2人の研究者で最近の論文の共著者であるDmytro RafalskyiとAne Aaneslandによって初めて実証されました。彼らが実証したように、コンセプトはグリッドイオンスラスタを作成するために使用された技術に基づいていますが、正と負に帯電したイオンの同等量を含む排気を生成するために管理しています。
彼らが研究の過程で説明するように：
「その設計はプラズマ加速の原理に基づいており、それによってイオンと電子の同時抽出は、振動電場をグリッド付き加速光学系に適用することによって達成されます。従来のグリッドイオンスラスタでは、指定された電圧源を使用してイオンが加速され、抽出グリッド間に直流（dc）電場が印加されます。この作業では、プラズマと接触している給電面と接地面の面積の違いにより、高周波（rf）電力が抽出グリッドに結合されると、DCセルフバイアス電圧が形成されます。」
要するに、スラスタは、電波の適用を通じて効果的に電荷中性である排気を作り出します。これは、推力に電界を追加するのと同じ効果があり、中和剤の必要性を効果的に排除します。彼らの研究が発見したように、海王星スラスタは、従来のイオンスラスタに匹敵する推力を生成することもできます。
テクノロジーをさらに進歩させるために、彼らはヨークプラズマ研究所のジェームズデドリックとアンドリューギブソンとチームを組み、さまざまな条件下でスラスタがどのように機能するかを研究しました。デドリックとギブソンが乗船して、彼らはプラズマビームがどのように宇宙と相互作用するか、そしてこれがそのバランスの取れた電荷に影響するかどうかを研究し始めました。
彼らが見つけたのは、エンジンの排気ビームがビームをニュートラルに保つ上で大きな役割を果たすことであり、電子が抽出グリッドに導入された後の電子の伝播は、プラズマビームの空間電荷を補償するように機能します。彼らが研究で述べているように：
「[P]位相分解発光分光法は、電気的測定（イオンおよび電子エネルギー分布関数、イオンおよび電子電流、およびビーム電位）と組み合わせて適用され、 RF自己バイアス駆動プラズマスラスタ。結果は、抽出グリッドでのシース崩壊の期間中の電子の伝播が、プラズマビームの空間電荷を補償するように機能することを示唆しています。」
もちろん、彼らはまた、海王星のスラスタを使用する前に、さらなるテストが必要であることを強調しています。しかし、軽量で小型のイオンスラスタの可能性を提供し、よりコンパクトでエネルギー効率の高い宇宙船を可能にするため、結果は有望です。予算内で太陽系（およびそれ以降）を探索することを検討している宇宙機関にとって、そのような技術は望ましくないにしても、何でもありません！
