نجحت وكالة ناسا مؤخرًا في اختبار محرك بلازما تجريبي يعمل بالليثيوم، مما يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في مهام المريخ البشرية. قام المهندسون في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL) في جنوب كاليفورنيا بتشغيل المحرك الكهرومغناطيسي، مما سمح له بالوصول إلى مستويات الطاقة التي لم يحققها هذا النوع من أنظمة الدفع في الولايات المتحدة.
تم إجراء الاختبار في 24 فبراير في غرفة مفرغة في مختبر الدفع النفاث المخصص لأبحاث الدفع الكهربائي عالي الطاقة. أثناء الاختبار، عمل النموذج الأولي للمحرك بقوة أكبر من أي محرك كهربائي موجود على أي مركبة فضائية تابعة لناسا. ويقول الباحثون إن النتائج ستوفر إرشادات للمرحلة التالية من التطوير والاختبار.
قال مدير ناسا جاريد إسحاقمان: "في ناسا، نعمل على أشياء كثيرة في وقت واحد، ولكننا لا نغفل أبدًا عن المريخ. يوضح الأداء الناجح لأجهزة الدفع لدينا في هذا الاختبار التقدم الكبير الذي تم إحرازه في إرسال رواد فضاء أمريكيين إلى الكوكب الأحمر. هذه هي المرة الأولى التي تستخدم فيها الولايات المتحدة أنظمة الدفع الكهربائية. تعمل بمثل هذا المستوى العالي من الطاقة، بما يصل إلى 120 كيلووات. وسوف نستمر في ذلك قم باستثمارات استراتيجية لدفع القفزة العملاقة القادمة إلى الأمام "
يستخدم هذا المحرك بخار معدن الليثيوم وينتمي إلى فئة تكنولوجيا الدفع Magneto-Plasma Dynamics (MPD). تولد هذه الأنظمة الدفع باستخدام التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية لتسريع البلازما بسرعات عالية للغاية. خلال خمس اختبارات إطلاق منفصلة، توهجت أقطاب التنغستن الخاصة بالدافع باللون الأبيض الساطع وارتفعت درجات الحرارة إلى أكثر من 5000 درجة فهرنهايت (2800 درجة مئوية). تم إجراء الاختبار في مختبر الدفع الكهربائي التابع لمختبر الدفع النفاث، والذي يتمتع بمنشأة فريدة قادرة على التقييم الآمن للدفعات الكهربائية التي تعتمد على الوقود الدفعي البخاري المعدني بقدرة تصل إلى نطاق الميغاواط.
كفاءة الوقود لنظام الدفع الكهربائي أعلى بكثير من كفاءة الصواريخ الكيميائية التقليدية، ويمكن تقليل استخدام الوقود بنسبة تصل إلى 90٪. فبدلاً من تقديم دفع قوي لفترات قصيرة من الزمن، فإنها توفر دفعًا لطيفًا ولكن مستدامًا يعمل على تسريع المركبة الفضائية بشكل مطرد على مدى فترات طويلة من الزمن. تستخدم وكالة ناسا بالفعل تكنولوجيا الدفع الكهربائي في مهمات مثل سفينة Psyche، التي تدير حاليًا أقوى محركات الدفع الكهربائية التابعة للوكالة. مع مرور الوقت، يمكن لنظام الدفع Psyche تسريع المركبة الفضائية إلى 124000 ميل في الساعة.
قد يوفر محرك MPD الجديد الذي يعمل بالليثيوم في النهاية قوة دفع أكبر بكثير من الأنظمة الحالية. على الرغم من أن العلماء كانوا يدرسون تكنولوجيا الدفع MPD منذ ستينيات القرن العشرين، إلا أن هذه التكنولوجيا لم تُستخدم مطلقًا في التطبيقات العملية في الفضاء. وفي الاختبارات الأخيرة في مختبر الدفع النفاث، وصلت قوة المحرك إلى 120 كيلووات، أي أكثر من 25 ضعف قوة محركات الطيران على متن "سبيريت ستار". قال جيمس بولك، عالم أبحاث كبير في مختبر الدفع النفاث: "لقد كان تصميم وبناء هذه الدفاعات على مدى السنوات العديدة الماضية بمثابة إعداد طويل الأمد لهذا الاختبار الأول". "هذه لحظة مهمة بالنسبة لنا لأننا لم نظهر فقط قدرة الدفعات على العمل، بل حققنا أيضًا مستوى الطاقة المستهدف. كنا نعلم أن لدينا منصة اختبار جيدة لبدء حل تحديات التوسع." غرفة فراغ مبردة بالماء. عندما يتم تنشيط الدافع، يتوهج القطب الخارجي الذي يشبه الفوهة بشكل مكثف، مما يؤدي إلى إنشاء عمود بلازما أحمر ساطع. عمل بولك في مجال تكنولوجيا الدفع الكهربائي لعقود من الزمن، حيث ساهم في مهمة Dawn التابعة لناسا وDeep Space One، وهي أول مركبة فضائية تعرض تكنولوجيا الدفع الكهربائي خارج مدار الأرض.
ويأمل الباحثون في نهاية المطاف في زيادة إنتاج الطاقة لكل محرك إلى ما بين 500 كيلووات و1 ميجاوات. أحد أكبر التحديات التقنية هو ضمان قدرة الأجهزة على تحمل التشغيل طويل الأمد في درجات الحرارة القصوى. قد تتطلب المهمة المأهولة إلى المريخ ما مجموعه 2 إلى 4 ميجاوات من الطاقة، مما يعني أن العديد من محركات الدفع MPD قد تحتاج إلى العمل بشكل مستمر لأكثر من 23000 ساعة.
يعتقد العلماء أن محركات MPD التي تعمل بالليثيوم قد تلعب دورًا مهمًا في استكشاف الفضاء السحيق في المستقبل لأنها تجمع بين الدفع القوي والاستخدام الفعال للوقود. وبإقرانها بأنظمة الطاقة النووية، يمكنها تقليل كتلة الإطلاق أثناء حمل الحمولات الثقيلة المطلوبة للبعثات البشرية إلى المريخ.
ظل مشروع الدفع MPD قيد التطوير على مدار العامين ونصف العام الماضيين، وهو تعاون بين مختبر الدفع النفاث ومختبر فيزياء البلازما في برينستون في نيوجيرسي ومركز جلين للأبحاث التابع لناسا في كليفلاند. ويأتي التمويل من برنامج الدفع النووي الفضائي التابع لناسا، والذي بدأ في عام 2020 لدعم تطوير أنظمة الدفع الكهربائية النووية بحجم ميجاوات للبعثات المستقبلية إلى المريخ. تتم إدارة هذا العمل من قبل مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هانتسفيل، ألاباما، تحت إدارة مهام تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا.