به لطف شبیه‌سازی‌های جدید با ابررایانه، فضاپیماهایی که با پیشرانه الکتریکی کار می‌کنند، به زودی می‌توانند از محافظت بهتری برخوردار شوند.

پیشرانه الکتریکی یک جایگزین کارآمدتر برای موشک‌های شیمیایی سنتی است و کاربرد زیادی در ماموریت‌های فضایی دارد. کاربرد نمونه‌های اولیه پیشرانه الکتریکی در فضاپیمای «دیپ اسپیس۱»(Deep Space 1) ناسا و «اسمارت ۱»(SMART-1) آژانس فضایی اروپا در سال‌های ۱۹۹۸ و ۲۰۰۳ آغاز شد و پس از آن نیز در ماموریت‌های علمی شاخص مانند ماموریت‌های «داون»(Dawn) و «سایکی»(Psyche) ناسا به کمربند سیارکی مورد استفاده قرار گرفت. حتی برنامه‌هایی نیز برای استفاده از پیشرانه الکتریکی در ایستگاه فضایی «دروازه ماه»(Lunar Gateway) ناسا وجود دارد.

به نقل از اسپیس، ایده پشت پیشرانه الکتریکی این است که یک جریان الکتریکی، اتم‌های گاز خنثی مانند زنون یا کریپتون را که در فضاپیما ذخیره شده‌اند، یونیزه می‌کند (یعنی الکترون را از آن خارج می‌کند). فرآیند یونیزاسیون، ابری از یون‌ها و الکترون‌ها را تولید می‌کند. سپس، یک اصل موسوم به «اثر هال»(Hall effect) را ایجاد می‌کند. اثر هال یک میدان الکتریکی را به وجود می‌آورد که به یون‌ها و الکترون‌ها شتاب می‌دهد و آنها را هدایت می‌کند تا به شکل یک ستون آبی‌رنگ با سرعت بیش از ۶۰ هزار کیلومتر در ساعت از فضاپیما خارج شوند. از این رو، یک سیستم پیشرانه الکتریکی به عنوان «موتور یونی» نیز در نظر گرفته می‌شود.

بر اساس قانون سوم حرکت نیوتن، هر عملی یک عکس‌العمل برابر و در جهت مخالف دارد. بنابراین، توده یون‌هایی که از فضاپیما به بیرون پرتاب می‌شوند، برای ایجاد نیروی رانش عمل می‌کنند. با وجود این، مدتی طول می‌کشد تا تکانه ایجاد شود؛ زیرا با وجود حرکت با سرعت بالا، ستون یونی بسیار پراکنده است. ضربه تولیدشده به اندازه موشک‌های شیمیایی قوی نیست، اما موتورهای یونی به سوخت کمتر و در نتیجه جرم کمتری نیاز دارند. این ویژگی، هزینه‌های پرتاب را کاهش می‌دهد و به موتورهای یونی امکان می‌دهد تا همه سوخت را به سرعت موشک‌های شیمیایی مصرف نکنند.

انرژی میدان‌های الکترومغناطیسی اغلب توسط آرایه‌های خورشیدی تامین می‌شود و از این رو، این فناوری گاهی اوقات به عنوان پیشرانه الکتریکی خورشیدی شناخته می‌شود اما برای ماموریت‌های دورتر از خورشید که نور خورشید در آنها ضعیف‌تر است، می‌توان از نیروی هسته‌ای به شکل «ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ» برای به حرکت درآوردن نیروی محرکه الکتریکی استفاده کرد.

اگرچه پیشرانه الکتریکی اکنون در حال بلوغ است و در ماموریت‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما هنوز یک فناوری کامل نیست. یک مشکل ویژه این است که ستون یونی می‌تواند به فضاپیما آسیب برساند. اگرچه ستون به سمت فضاپیما قرار گرفته است، اما الکترون‌های موجود در ستون یونی می‌توانند مسیر خود را تغییر دهند، خلاف جهت حرکت ستون به حرکت درآیند، با فضاپیما برخورد کنند و به آرایه‌های خورشیدی، آنتن‌های ارتباطی و سایر اجزای در معرض خطر آسیب برسانند. درباره این شرایط کافی است بگوییم که برای فضاپیما خوب نیست.

«چن کوی»(Chen Cui)، پژوهشگر «دانشگاه ویرجینیا»(UVA) گفت: برای ماموریت‌هایی که ممکن است سال‌ها طول بکشند، پیشرانه‌های الکتریکی باید به ‌طور روان و پیوسته در دوره‌های زمانی طولانی کار کنند.

پیش از ارائه راه حل برای محافظت از فضاپیما در برابر این الکترون‌های پراکنده، ابتدا باید رفتار آنها در یک ستون یونی-موتوری درک شود. کوی و «جوزف وانگ»(Joseph Wang)، پژوهشگر «دانشگاه جنوبی کالیفرنیا»(USC) همین کار را انجام دادند. آنها با کمک ابررایانه به شبیه‌سازی اگزوز یک موتور یونی، مدل‌سازی رفتار ترمودینامیکی الکترون‌ها و نحوه تأثیر آنها بر ویژگی‌های کلی ستون یونی پرداختند.

کوی گفت: این ذرات ممکن است کوچک باشند، اما حرکت و انرژی آنها نقش مهمی را در تعیین پویایی ماکروسکوپی ستون ساطع‌شده از پیشرانه الکتریکی دارد.

آنچه کوی و وانگ دریافتند، این بود که الکترون‌های موجود در ستون، بسته به دما و سرعت خود رفتار متفاوتی دارند. کوی گفت: الکترون‌ها بسیار شبیه به تیله‌هایی هستند که در یک لوله قرار گرفته‌اند. الکترون‌های موجود در پرتو، داغ هستند و به سرعت حرکت می‌کنند. اگر حرکت در جهت پرتو باشد، دمای آنها تغییر چندانی نمی‌کند، اما اگر از وسط لوله بیرون بیایند، شروع به خنک شدن می‌کنند. خنک شدن بیشتر در یک جهت خاص اتفاق می‌افتد که عمود بر جهت پرتو است.

به عبارت دیگر، الکترون‌هایی که در هسته پرتو سریع‌تر حرکت می‌کنند، دمای کم و بیش ثابتی دارند، اما الکترون‌هایی که بیرون هستند، سریع‌تر سرد می‌شوند، سرعت آنها کاهش می‌یابند، از پرتو بیرون می‌روند، به عقب پراکنده می‌شوند و به فضاپیما ضربه می‌زنند.

اکنون که دانشمندان رفتار الکترون‌ها را در ستون یونی بهتر درک می‌کنند، می‌توانند آن را در طرح‌ موتورهای پیشرانه الکتریکی آینده بگنجانند و به دنبال راه‌هایی برای کاهش پراکندگی الکترون‌ها یا محدود کردن بیشتر آنها به هسته پرتو باشند. این کار در نهایت می‌تواند به ماموریت‌هایی که از نیروی محرکه الکتریکی نیرو می‌گیرند، کمک کند تا با کمک ستون یونی خود، دورتر و طولانی‌تر پرواز کنند.