Magnetyczna ochrona elementów silników jonowych
Stosowane do napędzania statków kosmicznych silniki jonowe typu Halla są powszechnie wykorzystywane w różnych misjach od kilkudziesięciu lat. W ostatnim czasie grupa badaczy zaproponowała modyfikację, która pozwoli ochronić elementy tych silników przed wpływem erozji.
Silnik jonowy Halla należy do rodziny silników elektrycznych, które wytwarzają ciąg poprzez przyspieszanie jonów. W przypadku silnika Halla jony przyspieszane są za pomocą pola elektrycznego. Uzyskiwane parametry pozwalają na wykorzystywanie tych silników do rekompensowania utraty wysokości przez satelity, zmiany orbity oraz generalnie eksploracji przestrzeni kosmicznej.
Za pomocą wewnętrznych lub zewnętrznych magnesów stałych, elektromagnesów oraz specjalnych ekranów możliwe jest kształtowanie pola magnetycznego w taki sposób, by było ono prostopadłe do cylindrycznych ścian komory i do pola elektrycznego. Pole magnetyczne wpływa w znaczącym stopniu na tor ruchu elektronów, które poruszają się po liniach tego pola. Wyrzucane na zewnątrz jony są neutralizowane elektronami z katody, aby przeciwdziałać elektryzowaniu. Brak neutralizacji jonów wylatujących z silnika powoduje wzajemne ich oddziaływanie na siebie z bardzo dużymi siłami elektrostatycznymi, co powoduje skierowanie części jonów z powrotem na silnik oraz jego obudowę. Z powodu braku zbieżności wylatujących jonów, dochodzi do erozji materiałów tworzących obudowę. Ta przypadłość spowodowała ograniczenie w korzystaniu z tego rodzaju napędu tylko do wewnętrznego Układu Słonecznego.
Grupie naukowców z Laboratorium Napędów Odrzutowych (ang. Jet Propulsion Laboratory) udało się jednak znaleźć sposób na skuteczną ochronę przed erozją poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego. Opierając się na symulacjach numerycznych zaprojektowano poszczególne moduły silnika Halla, by zminimalizować siły działające na pole magnetyczne. Na podstawie tych badań udało się przyspieszyć ruch jonów z dala od wewnętrznych ścian komory, co pozwoliło uniknąć erozji. Końcowy eksperyment ukazał, że szkody tego rodzaju zostały ograniczone od 100 do 1000 razy.
Historia silników jonowych typu Halla sięga początków lat 60-tych XX wieku, kiedy to badania nad nimi rozpoczęto równocześnie i niezależnie w ZSRR oraz USA. W silniku Halla jony gazu przyspieszane są do dużych prędkości przy wykorzystaniu pola elektrycznego. Obecnie pomimo sporej złożoności procesów fizycznych zachodzących podczas pracy takiego silnika jest to powszechnie wykorzystywany rodzaj napędu, który osiągnął wysoką dojrzałość techniczną. Napęd ten został wykorzystany m.in. przez europejską sondę księżycową SMART-1
Działanie silników typu Halla jest możliwe dzięki schwytaniu elektronów w polu magnetycznym, co umożliwia efektywną jonizację gazu zasilającego. W przestrzeni kosmicznej silniki tego typu są zasilane praktycznie tylko ksenonem ze względu na to, że jest nieaktywny chemicznie w otoczeniu wody i tlenu. Paliwo przedostaje się do komory silnika ze zbiornika przez otwory w anodzie o dowolnym kształcie, gdzie następnie atomy ksenonu ulegają jonizacji w wyniku zderzeń z elektronami. Prowadzone są prace mające na celu sprawdzenie możliwości użycia jako paliwa azotu i tlenu cząsteczkowego, co mogłoby podnieść ekonomiczność takiego silnika w zastosowaniach na niskich orbitach wokółziemskich (gdzie czerpać można składniki paliwa).
Laboratorium Napędów Odrzutowych to centrum badawcze agencji NASA znajdujące się w miejscowości Pasadena, w odległości ok. 50 km na północ od Los Angeles. Ośrodek zarządza niektórymi amerykańskimi misjami bezzałogowymi. Spośród najsłynniejszych projektów wymienić można misję Gallileo czy misje łazików marsjańskich: Mars Pathfinder (1997) oraz dwóch bliźniaczych łazików (Opportunity i Spirit) w ramach Mars Exploration Rovers (2003).
