Quỹ đạo thấp của Trái đất chứa rất nhiều vệ tinh. Một vài trong số đó là mới, trong khi một số đã có tuổi đời hàng chục năm. Điều này đã trở thành một vấn đề khi quỹ đạo chứa đầy các vệ tinh bị hỏng hóc, ngừng hoạt động và việc loại bỏ chúng đã trở thành một thách thức. Thường thì những vệ tinh này có một nhiệm vụ không bao giờ kết thúc là phải ở nguyên trên quỹ đạo. Tuy nhiên, mọi vệ tinh đều phải đối mặt với sự suy giảm quỹ đạo vì một lực cản nhỏ trong quỹ đạo cũng khiến chúng đi chậm lại theo thời gian. Cuối cùng, khi hạ thấp dần chúng sẽ bị phá hủy khi lao qua bầu khí quyển.
Để khắc phục vấn đề trên, các vệ tinh cần sử dụng một động cơ đẩy để tăng tốc và giữ chúng trên quỹ đạo, chỉ cần di chuyển chút ít theo thời gian để thắng được lực cản. Nhưng loại nhiên liệu cần thiết cho các động cơ đẩy đó cũng là một bài toán khó. Vệ tinh không thể được đẩy đi bằng nhiên liệu đẩy bình thường vì thứ nhiên liệu này khiến vệ tinh trở nên to lớn và nặng nề.
Mọi thứ đã thay đổi trong thập niên vừa qua, khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều phương pháp đẩy khác nhau. Chẳng hạn công ty Công nghệ Không gian Orbion, họ cung cấp cho NASA các động cơ đẩy ion và đang nổi lên như một kẻ thay đổi cuộc chơi trong lĩnh vực chế tạo động cơ vệ tinh.
Tàu không gian Dawn của NASA đã sử dụng động cơ đẩy ion hiệu suất cao để đến thăm thiên thạch Ceres và Vesta trong vành đai tiểu hành tinh. Phương pháp đẩy này hiện đang được Orbion sản xuất cho các vệ tinh nhỏ.
Để khắc phục vấn đề trên, các vệ tinh cần sử dụng một động cơ đẩy để tăng tốc và giữ chúng trên quỹ đạo, chỉ cần di chuyển chút ít theo thời gian để thắng được lực cản. Nhưng loại nhiên liệu cần thiết cho các động cơ đẩy đó cũng là một bài toán khó. Vệ tinh không thể được đẩy đi bằng nhiên liệu đẩy bình thường vì thứ nhiên liệu này khiến vệ tinh trở nên to lớn và nặng nề.
Mọi thứ đã thay đổi trong thập niên vừa qua, khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều phương pháp đẩy khác nhau. Chẳng hạn công ty Công nghệ Không gian Orbion, họ cung cấp cho NASA các động cơ đẩy ion và đang nổi lên như một kẻ thay đổi cuộc chơi trong lĩnh vực chế tạo động cơ vệ tinh.
Tàu không gian Dawn của NASA đã sử dụng động cơ đẩy ion hiệu suất cao để đến thăm thiên thạch Ceres và Vesta trong vành đai tiểu hành tinh. Phương pháp đẩy này hiện đang được Orbion sản xuất cho các vệ tinh nhỏ.
Aurora của Orbion, động cơ này nhỏ nhưng đủ mạnh để duy trì các vệ tinh trên quỹ đạo trong vài năm.
Các động cơ đẩy ion của NASA hoạt động thông qua một cơ chế gọi là hiệu ứng Hall. Thay vì sử dụng một quá trình phản ứng hóa học để tạo lực đẩy, bộ đẩy ion dựa trên hiệu ứng Hall sử dụng một điện trường từ các tấm pin mặt trời để tăng tốc cho nhiên liệu đẩy, thường là các khí hiếm như xenon hay krypton. Điện trường này sẽ bảo toàn, tránh gây thất thoát electron và sử dụng các electron đó để ion hóa khí xenon thành ion Xe+, từ đó tăng tốc các ion Xe+ này để tạo ra lực đẩy và giúp vệ tinh chuyển động. Cụ thể hơn chúng diễn ra theo 5 bước sau:
Bước 1: Một điện cực (catot) phun ra các electron vào trong một buồng ion hóa, tại đây chúng được từ trường cung cấp năng lượng để tiến hành bắn phá.
Bước 2: Tiếp theo, chất đẩy xenon (Xe) trong bình chứa cũng được đưa vào buồng ion hóa. Do Xe có năng lượng ion hóa tương đối thấp, nên sẽ không tốn quá nhiều năng lượng để "lấy đi" 1 electron khỏi nó.
Bước 3: Trong buồng ion hóa, các electron sẽ bắn phá khí Xe, làm cho các nguyên tử Xe trở thành những ion tích điện dương (Xe+). Tất cả tạo thành một “hỗn hợp” gồm các ion Xe+, các electron có từ đầu và electron văng ra từ nguyên tử Xe.
Bước 4: Sau đó, hỗn hợp này đi đến hai lưới điện cực tích điện trái dấu nhau. Các electron bị giam giữ bởi lưới điện cực thứ nhất, sau đó chúng được “tái sử dụng” để ion hóa tiếp Xe. Còn lưới điện cực thứ hai hút các ion Xe+, tăng tốc và đẩy chúng ra phía sau vệ tinh để tạo lực đẩy.
Bước 5: Khi chùm ion dương ra khỏi động cơ, các electron phát ra từ một điện cực gắn bên ngoài sẽ trung hòa chùm ion dương đó nhằm giữ cho các ion không bị hút trở lại tàu, đồng thời làm giảm lực đẩy ròng. Vì vậy catot ngoài này còn có tên là bộ trung hòa.
Quảng cáo
Cơ chế hoạt động của động cơ đẩy ion.
Quá trình này được nghiên cứu từ thập niên 1960 ở cả Hoa Kỳ và Liên Xô, nhưng phải đến năm 1998, NASA mới lần đầu sử dụng công nghệ này để sử dụng trên các vệ tinh. Vào năm 2016, Orbion Space Technology bắt đầu hoạt động phát triển động cơ đẩy ion dựa vào hiệu ứng Hall của riêng họ với sự trợ giúp từ Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA. Kể từ đó Orbion đã bán động cơ đẩy của mình cho các tổ chức chính phủ lẫn tư nhân như Bộ Quốc phòng Mỹ, cũng như trang bị cho vệ tinh thời tiết của General Atomics.
NASA hình dung loại động cơ đẩy này chính là chìa khóa cho tương lai của hoạt động du hành vũ trụ. Có những công ty như SpinLaunch đang nghiên cứu hệ thống phóng vệ tinh chạy bằng điện để giảm đáng kể chi phí vận chuyển lên quỹ đạo. Động cơ ion cũng là phương tiện mà các chuyên gia NASA cho rằng có thể dùng để tiếp cận thành công sao Hỏa, kết hợp với động cơ đẩy bằng điện hạt nhân. Dù vẫn còn một chặng đường dài phía trước, nhưng các động cơ đẩy ion ngày càng trở nên phổ biến sẽ giúp con người tiến một bước gần hơn tới việc khám phá Sao Hỏa, cùng với tàu Curiosity của NASA.
Theo [1], [2].
