راکت‌های یونی به زبان ساده
مصطفی روستایی
راکت‌های یونی نوعی از پیشرانه‌های الکتریکی‌اند که در آنها پرتوها از یون و براساس قانون سوم نیوتن موسوم به قانون عمل و عکس‌العمل استفاده می‌شود. یون عبارت است از اتم یا مولکولی که در آن تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابر نباشد. درواقع یون می‌تواند بار مثبت یا منفی داشته باشد. حالت یک یون همانند حالت بیشتر گازها بسیار واکنش‌پذیر است. در حالت عادی و در طبیعت فرایند منجر به ساخته شدن یون چندان معمول نیست مگر تحت شرایط خاص فیزیکی همچون شعله‌های آتش، رعدوبرق، جرقه‌های الکتریکی و نیز در پلاسماها. این یون‌های شبه‌گازی به‌سرعت با یون‌های با بار مخالف واکنش داده و به مولکول‌های خنثی یا نمک‌های یونی تبدیل می‌شوند. علاوه بر این وقتی نمک‌ها در یک حلال حل می‌شوند، یون‌ها نیز در حالت جامد یا مایع تولید می‌شوند که در این حالت بسیار پایدارند. در طبیعت و در دماهای معمولی معمولا این حالت تثبیت‌شده بیشتر یافت می‌شود.
پیشرانه‌های یونی که در عمل نیز به‌عنوان منبع نیروی محرکه لازم در فضاپیماها مورد استفاده قرار گرفته‌اند، از اصول ساده فیزیک بهره می‌جویند. نیروی پیشرانه تولیدشده توسط پیشرانه‌های یونی در مقایسه با موتورهای پیشرانه یا راکتی شیمیایی بسیار کم است، اما از ضربه ویژه یا به معنایی دیگر راندمان سوخت بسیار بالایی برخوردارند. حاصل نیروی پیشرانه اندک شتاب پایین فضاپیما خواهد بود. پیشرانه یونی سبب می‌شود راکت‌های یونی برای پرتاب فضاپیما به مدار زمین گزینه مناسبی نباشد، اما این نوع موتورهای پیشرانه یونی برای کاربردهای خارج از جو بسیار ایدئال است. با توجه به مواردی همچون نیازهای توان نسبتا بالا، توان ویژه از منابع نیرومحرکه و نیز احتیاج به یک محیط زیست عاری از سایر ذرات یونیزه استفاده از پیشرانه‌های یونی در حال حاضر تنها در فضا عملی است.
با روش‌های متفاوت می‌توان به یون‌ها شتاب داد، اما در تمام روش‌ها پارامتر نسبت بار به جرم یون‌ها تعیین‌کننده است. این به آن معناست که یک نسبت اختلاف‌پتانسیل بسیار کوچک می‌تواند باعث تولید سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی شود. این امر باعث کاهش میزان جرم عامل یا خرج یا سوخت مورد نیاز می‌شود. در پیشرانه‌های یونی به منظور شتاب‌دادن به یون‌ها از نیروهای الکتروستاتیک یا الکترومغناطیس استفاده می‌شود. عبارت «پیشرانه یونی» اغلب اوقات صرفا برای پیشرانه‌های یونی الکتروستاتیک به کار می‌رود.
در یک مدل از پیشرانه‌های یونی از یک پتانسیل الکتروستاتیک به منظور شتاب‌دادن به یون‌ها تا سرعت‌های بسیار بالا استفاده می‌شود. یک میدان مغناطیسی شعاعی به اندازه چند ده تسلا برای نگه‌داشتن الکترون‌ها در جای خود استفاده می‌شود که در آن ترکیبی از میدان مغناطیسی و نیروی ربایشی آندی باعث گردش جریانی از الکترون‌ها در پیرامون محور پیشرانه شده و فقط سرعت رانشی اندکی در جهت محوری به سمت آند ایجاد می‌شود.
خرج -مانند گاز زنون- از طریق بخش آند که دارای سوراخ‌های کوچک متعدد تعبیه‌شده برروی آن است و به‌عنوان توزیع‌کننده گاز عمل می‌کند، به داخل موتور تزریق می‌شود. گاز زنون به علت جرم مولکولی بالا و پتانسیل مورد نیاز یونیزه‌شدن پایین، در این نوع از موتورها یا پیشرانه‌ها به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. همان‌گونه که اتم‌های زنون داخل پیشرانه راکتی یونی افشانده می‌شود، بر اثر برخورد با الکترون‌های در حال گردش با انرژی بالا یعنی ۱۰ تا ۲۰ الکترون‌ولت یا معادل دمایی آن صد هزار تا 250 هزار درجه کلوین یونیزه می‌شوند. پس از یونیزه‌شدن، یون‌های زنون دارای باری به‌اندازه مثبت یک یا مثبت دو واحد بار هستند. سپس یون‌های زنون توسط میدان الکتریکی بین آند و کاتد شتاب می‌گیرند. سرعت یون‌ها خیلی زود به 15 هزار متر در ثانیه برای یک ضربه ویژه هزارو 500 ثانیه‌ای (برابر ۱۵ کیلونیوتن ثانیه بر کیلوگرم) می‌رسد. با این حال یون‌ها به‌محض خروج، تعدادي مساوی از الکترون را نیز به همراه خود کشیده و این امر باعث ایجاد یک مخروط نورانی بدون بار در انتهای موتور خواهد شد. این همان مخروط نوری است که در فیلم‌های علمی-تخیلی که پیشرانه‌های یونی را به
تصویر می‌کشد، دیده می‌شود.
ده‌ها سال بود که روس‌ها (اتحاد جماهیر شوروی سابق) از پیشرانه‌های راکتی یونی برای تنظیمات مربوط به حفظ وضعیت ماهواره‌های خود استفاده می‌کردند. غربی‌ها نیز امروزه از این فناوری استفاده می‌کنند. در ماهواره اسمارت-۱ آژانس فضایی اروپا که در سال ۲۰۰۳ پرتاب شد، از موتور یونی سنکما پی.پی.اس-۱۳۵۰-جی استفاده شد که از نوع یونی بود. این ماهواره در تاریخ سوم سپتامبر سال ۲۰۰۶ مأموریت خود را در یک تصادم کنترل‌شده به سطح کره ماه به پایان رساند. هایابوسا، ماهواره متعلق به آژانس فضایی ژاپن هم که در سال 2003 به فضا پرتاب شد و با موفقیت کار خود را شروع کرد، از چهار موتور یونی زنون بهره گرفته است.
راکت‌های یونی نوعی از پیشرانه‌های الکتریکی‌اند که در آنها پرتوها از یون و براساس قانون سوم نیوتن موسوم به قانون عمل و عکس‌العمل استفاده می‌شود. یون عبارت است از اتم یا مولکولی که در آن تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابر نباشد. درواقع یون می‌تواند بار مثبت یا منفی داشته باشد. حالت یک یون همانند حالت بیشتر گازها بسیار واکنش‌پذیر است. در حالت عادی و در طبیعت فرایند منجر به ساخته شدن یون چندان معمول نیست مگر تحت شرایط خاص فیزیکی همچون شعله‌های آتش، رعدوبرق، جرقه‌های الکتریکی و نیز در پلاسماها. این یون‌های شبه‌گازی به‌سرعت با یون‌های با بار مخالف واکنش داده و به مولکول‌های خنثی یا نمک‌های یونی تبدیل می‌شوند. علاوه بر این وقتی نمک‌ها در یک حلال حل می‌شوند، یون‌ها نیز در حالت جامد یا مایع تولید می‌شوند که در این حالت بسیار پایدارند. در طبیعت و در دماهای معمولی معمولا این حالت تثبیت‌شده بیشتر یافت می‌شود.
پیشرانه‌های یونی که در عمل نیز به‌عنوان منبع نیروی محرکه لازم در فضاپیماها مورد استفاده قرار گرفته‌اند، از اصول ساده فیزیک بهره می‌جویند. نیروی پیشرانه تولیدشده توسط پیشرانه‌های یونی در مقایسه با موتورهای پیشرانه یا راکتی شیمیایی بسیار کم است، اما از ضربه ویژه یا به معنایی دیگر راندمان سوخت بسیار بالایی برخوردارند. حاصل نیروی پیشرانه اندک شتاب پایین فضاپیما خواهد بود. پیشرانه یونی سبب می‌شود راکت‌های یونی برای پرتاب فضاپیما به مدار زمین گزینه مناسبی نباشد، اما این نوع موتورهای پیشرانه یونی برای کاربردهای خارج از جو بسیار ایدئال است. با توجه به مواردی همچون نیازهای توان نسبتا بالا، توان ویژه از منابع نیرومحرکه و نیز احتیاج به یک محیط زیست عاری از سایر ذرات یونیزه استفاده از پیشرانه‌های یونی در حال حاضر تنها در فضا عملی است.
با روش‌های متفاوت می‌توان به یون‌ها شتاب داد، اما در تمام روش‌ها پارامتر نسبت بار به جرم یون‌ها تعیین‌کننده است. این به آن معناست که یک نسبت اختلاف‌پتانسیل بسیار کوچک می‌تواند باعث تولید سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی شود. این امر باعث کاهش میزان جرم عامل یا خرج یا سوخت مورد نیاز می‌شود. در پیشرانه‌های یونی به منظور شتاب‌دادن به یون‌ها از نیروهای الکتروستاتیک یا الکترومغناطیس استفاده می‌شود. عبارت «پیشرانه یونی» اغلب اوقات صرفا برای پیشرانه‌های یونی الکتروستاتیک به کار می‌رود.
در یک مدل از پیشرانه‌های یونی از یک پتانسیل الکتروستاتیک به منظور شتاب‌دادن به یون‌ها تا سرعت‌های بسیار بالا استفاده می‌شود. یک میدان مغناطیسی شعاعی به اندازه چند ده تسلا برای نگه‌داشتن الکترون‌ها در جای خود استفاده می‌شود که در آن ترکیبی از میدان مغناطیسی و نیروی ربایشی آندی باعث گردش جریانی از الکترون‌ها در پیرامون محور پیشرانه شده و فقط سرعت رانشی اندکی در جهت محوری به سمت آند ایجاد می‌شود.
خرج -مانند گاز زنون- از طریق بخش آند که دارای سوراخ‌های کوچک متعدد تعبیه‌شده برروی آن است و به‌عنوان توزیع‌کننده گاز عمل می‌کند، به داخل موتور تزریق می‌شود. گاز زنون به علت جرم مولکولی بالا و پتانسیل مورد نیاز یونیزه‌شدن پایین، در این نوع از موتورها یا پیشرانه‌ها به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. همان‌گونه که اتم‌های زنون داخل پیشرانه راکتی یونی افشانده می‌شود، بر اثر برخورد با الکترون‌های در حال گردش با انرژی بالا یعنی ۱۰ تا ۲۰ الکترون‌ولت یا معادل دمایی آن صد هزار تا 250 هزار درجه کلوین یونیزه می‌شوند. پس از یونیزه‌شدن، یون‌های زنون دارای باری به‌اندازه مثبت یک یا مثبت دو واحد بار هستند. سپس یون‌های زنون توسط میدان الکتریکی بین آند و کاتد شتاب می‌گیرند. سرعت یون‌ها خیلی زود به 15 هزار متر در ثانیه برای یک ضربه ویژه هزارو 500 ثانیه‌ای (برابر ۱۵ کیلونیوتن ثانیه بر کیلوگرم) می‌رسد. با این حال یون‌ها به‌محض خروج، تعدادي مساوی از الکترون را نیز به همراه خود کشیده و این امر باعث ایجاد یک مخروط نورانی بدون بار در انتهای موتور خواهد شد. این همان مخروط نوری است که در فیلم‌های علمی-تخیلی که پیشرانه‌های یونی را به
تصویر می‌کشد، دیده می‌شود.
ده‌ها سال بود که روس‌ها (اتحاد جماهیر شوروی سابق) از پیشرانه‌های راکتی یونی برای تنظیمات مربوط به حفظ وضعیت ماهواره‌های خود استفاده می‌کردند. غربی‌ها نیز امروزه از این فناوری استفاده می‌کنند. در ماهواره اسمارت-۱ آژانس فضایی اروپا که در سال ۲۰۰۳ پرتاب شد، از موتور یونی سنکما پی.پی.اس-۱۳۵۰-جی استفاده شد که از نوع یونی بود. این ماهواره در تاریخ سوم سپتامبر سال ۲۰۰۶ مأموریت خود را در یک تصادم کنترل‌شده به سطح کره ماه به پایان رساند. هایابوسا، ماهواره متعلق به آژانس فضایی ژاپن هم که در سال 2003 به فضا پرتاب شد و با موفقیت کار خود را شروع کرد، از چهار موتور یونی زنون بهره گرفته است.