Egy plazmahajtóművet egyszer egy üres kólásüvegből és egy fémdobozból szereltek össze. Az ötletgazda Oleg Batiscsev fizikus volt, akinek a Massachusettsi Műszaki Egyetemen (MIT) dolgozó csapata 2009-ben éppen plazmahajtóművek fejlesztésével foglalkozott.
A kólásüveg szolgált kamraként, az antennát pedig egy bádoglemezből készítették el. Mindezt egy vákuumkamrába helyezték, majd amikor ráadták az áramot, a palack belülről ragyogni kezdett, a levágott aljából pedig egy kék plazmasugár tört elő.
A rögtönzött hajtómű ötlete akkor merült fel, amikor a tesztállványuk átmenetileg használhatatlanná vált. A kísérlethez használt erős állandó mágnesek ugyanis kicsúsztak az egyik hallgató kezéből, a hatalmas vonzerő egymáshoz rántotta őket, a becsapódástól pedig darabokra törtek.
Mivel az új alkatrészekre várniuk kellett, Batiscsev elhatározta, hogy bebizonyítja: a hajtóművük a kéznél lévő hulladékokból is megépíthető. A kísérletről készült videó végül bejárta a televíziós csatornákat, és világhírt hozott a kutatócsoportnak. A legérdekesebb az egészben az volt, hogy a palack belsejében egyetlen olyan elektróda sem kapott helyet, amellyel a plazma közvetlenül érintkezett volna.
Mi az a helikon?
A „helikon” elnevezés a görög helix szóból ered, ami csavart vagy spirált jelent. Így nevezik azt az alacsony frekvenciájú elektromágneses hullámot, amely egy állandó mágneses térbe helyezett plazmában terjed, és közben szinte alig veszít az energiájából.
Batiscsev prototípusa rendkívül egyszerű felépítésű volt: lényegében egy kvarccsőből állt, amelyre rácsavarták a mágneses teret generáló tekercset és a helikonhullám antennáját. A hajtógázt a cső egyik végén vezették be.
A hullám felhevíti az elektronokat, amelyek a gáz atomjaiba csapódva újabb elektronokat szakítanak le róluk. A gáz így lavinaszerűen alakul át plazmává. A rendkívül forró plazmát végül a mágneses tér a megfelelő irányba tereli, amiből kialakul a tolóerőt biztosító sugár.
Az űreszközt tehát a töltött részecskék árama hajtja, a felgyorsításukhoz pedig mindössze elektromos energiára van szükség a fedélzeten. Cserébe ez a fajta hajtómű olyan elképesztő sebességet képes biztosítani, amilyet a hagyományos kémiai üzemanyagokkal lehetetlen lenne elérni.
Míg a hagyományos rakétafúvókákból kiáramló gáz sebessége nem haladja meg az 5 km/s-ot, Batiscsev prototípusából az ionok 10 és 40 km/s közötti sebességgel száguldottak ki. Márpedig minél gyorsabban távozik a hajtóanyag, annál kevesebbet kell belőle az űrbe cipelnünk ugyanakkora tolóerő eléréséhez.
Miért használódnak el más űrhajtóművek?
A műholdakon alkalmazott elektromos hajtóművek ma már egyáltalán nem számítanak újdonságnak. Számos űreszközön úgynevezett Hall-effektusos (stacionárius) plazmahajtóművek gondoskodnak a finom manőverezésről és a pályakorrekcióról.
Ezeknél azonban a felgyorsított ionok óhatatlanul a hajtómű falának ütköznek, és apránként lekoptatják azt. Pontosan ez az erózió szab szigorú határt az élettartamuknak. Egy ilyen hajtóművet jellemzően valamivel több mint 9000 üzemórára terveznek, ami folyamatos működés mellett alig több mint egyetlen év.
A másik gyenge pontot a közvetlenül a plazmában elhelyezkedő elektródák jelentik, amelyek hamar elhasználódnak. Ezekben a hajtóművekben a katód számít az egyik legsérülékenyebb alkatrésznek, ezért a biztonság kedvéért rendszerint rögtön kettőt is beszerelnek belőle, amitől viszont a hajtómű jóval nagyobb és nehezebb lesz. Ráadásul ezek a rendszerek többnyire xenonnal működnek, ami egy rendkívül ritka és drága gáz.
A hagyományos rácsos ionhajtóműveknek is megvannak a maguk hátulütői. Itt az ionok a rácsok közötti résben gyorsulnak fel, a részecskék egy része pedig elkerülhetetlenül magába a gyorsítórácsba csapódik.
A fém emiatt idővel porladni kezd, végül pedig a rács teljesen tönkremegy. Ugyanezen fizikai kopás miatt az ilyen hajtóművek teljesítményét is rendkívül nehéz tovább növelni.
Miért nem kopik semmi a helikon-hajtóműben?
A helikon-hajtóműben – ahogy azt az MIT kólásüveges kísérlete is bizonyította – egyáltalán nincsenek plazmába merülő elektródák. Az energiát a cső külső felületén futó antenna adja át a gáznak, ezért a csövet rádióhullámok számára átjárható anyagból, például kvarcból készítik. Még katódra sincs szükség, a plazmakisülés magától létrejön.
A másik védelmi vonalat a mágneses tér adja. Ez a plazmát végig a cső közepén tartja, így az el sem éri a belső falakat, vagyis egyszerűen nincs, ami koptassa azokat.
Ugyanez a mágneses erőtér óvja meg a falakat a brutális forróságtól is. Nélküle a részecskék képtelenek lennének felvenni a rádióhullámok energiáját, a kilépési ponton pedig ez a láthatatlan mező formál egyfajta mágneses fúvókát a plazmának.
Mivel a hajtóműben egyáltalán nincsenek mozgó, kopó alkatrészek, elméletileg addig működik, amíg a fedélzeten rendelkezésre áll az áram és a hajtógáz.
A „helikon” elnevezés persze önmagában még nem garancia az örök életre. Egy jelenleg is fejlesztés alatt álló, kisműholdakba szánt helikon-rácsos hajtóműben például a helikonhullám csupán megteremti a plazmát, a kiáramló ionokat viszont ott is elektródrácsok gyorsítják, pontosan úgy, mint a hagyományos ionmotorokban.
Mivel működtethető a helikon-hajtómű?
Hajtógázként szinte bármi bevethető: hidrogén, argon, nitrogén, de akár közönséges levegő is. Az üzemanyag ráadásul menet közben, a rendszer leállítása nélkül is variálható.
Egy palack sűrített nitrogén mindössze 7–9 dollárba (kb. 2 500–3 200 Ft) kerül, míg egyetlen kis üvegnyi xenon ára megközelíti az ezer dollárt (kb. 350 000 Ft).
A mai műholdakat sokszor nem is azért kell nyugdíjazni, mert meghibásodnak, hanem mert egyszerűen kifogy belőlük a pályakorrekcióhoz elengedhetetlen hajtógáz. A helikon-hajtómű elvben akár a Föld felső légköréből is képes lenne folyamatosan feltölteni a készleteit.
Egy elnyújtott pályán keringő műhold például a földközelpontban gyűjthetne friss gázt, egy nagyon alacsony pályán mozgó szerkezet pedig folyamatosan szívhatná be a ritkás légkört, amivel a hajtóanyag-tartaléka gyakorlatilag kimeríthetetlenné válna. A kutatók a faék egyszerűségű szerkezet és a rendkívüli élettartam mellett ezt a légkörből való „tankolási” lehetőséget tartják a helikon-hajtómű legnagyobb előnyének.
Milyen kompromisszumokkal jár?
A rendszer legnagyobb hátránya a brutális energiaigény. Egy nagy teljesítményű helikon-hajtómű több száz kilowattot, de akár több tíz megawatt áramot is felemészthet, aminek a stabil biztosításához az űrben már nukleáris reaktorra lenne szükség.
A másik komoly hátulütő a hirtelen, nagy tolóerő hiánya. Azt a sebességet, amit egy kémiai hajtóanyagú rakéta mindössze 150 másodperc alatt elér, egy plazmahajtóműnek akár egy teljes napjába is telhet összeszedni.
