19 april 2018

Franklin Chang Díaz’ VASIMR plasma raketmotor mikt op een grote variatie aan toepassingen (1)

Zevenvoudig ISS astronaut Dr. Franklin Chang Díaz werkte 40 jaar lang met hart en ziel aan de VASIMR (variable specific impulse magnetoplasma rocket). Tom Stafford, alsook de onlangs overleden John W. Young, Charles Bolden, Umberto Guidoni en  vele NASA collega astronauten stonden mede aan de wieg van deze raketmotor die ook wel de voorloper van de fusieraket wordt genoemd. (1)

Oorsprong
Oorspronkelijk was de VASIMR bedoeld om ultrasnelle bemande missies naar Mars te gaan verzorgen. Een groot scala aan toepassingsmogelijkheden voor de VASIMR openbaarde zich. Seedhouse’ (suborbital astronaut, ultrathriatlonatleet en schrijver van To Mars and beyond, Fast, Springer, 2017)  boek volgt  de VASIMR vanaf zijn inceptie tot heden, nu het hoogste  ‘technology readiness level’  in zicht begint te komen en aanstalten gemaakt wordt om een inflight prototype te testen. Van zonne-electrisch (SEP)  translunaire bevoorradingsvoertuigen naar nucleair-electrisch (NEP aangedreven ) ruimtetaxi’s in het zonnestelsel en ‘beyond’. Als model stond voor Dr. Chang Diaz de  Nautilus, onderzeeër, die in 1955 met aan boord een 52 kW  drukwater reactor (PWR) in staat was een 13.400 PK te genereren en 10 MW aan mechanische voortstuwingskracht. Ook  het samenbrengen van twee tot voorheen vrij gescheiden culturen van de plasma fysica en de afdelingen elektrische voortstuwing bij  universiteiten vonden elkaar bij de VASIMR.  Bij de plasmaraket wordt de energie van de atoomkernsplijting omgezet in elektriciteit die gebruikt wordt om een gas in een plasma om te zetten (4e aggregatietoestand). Een ‘soep’ van geladen deeltjes,  positieve ionen en negatief geladen elektronen, wordt versneld en uitgestoten om voortstuwing te verkrijgen. De meeste voortstuwing  wordt geleverd door de positieve ionen vandaar de naam ‘ionenmotor’ hoewel plasmamotor nauwkeuriger is. Plasma raketten kunnen hogere S.I.’s (specifieke impuls n.1) halen dan zijn chemische of nucleair-thermische tegenhangers. Traditionele ionenmotoren, zoals de MPD thruster (n.2.Magnetoplasmadynamic thruster),  waarin de deeltjes versneld worden door Direct Current (DC) elektrische velden, welke op hun beurt gevoed worden door zogenaamde ‘grid elektroden’ die in het plasma verzonken zitten en, een andere variant, de Hall thruster (HET HALLeffect thruster n.3) waarin de elektroden vervangen worden door een elektronenwolk gevangen door een lokaal magnetisch veld zijn reeds in gebruik. In de VASIMR raketmotor worden de ionen geaccelereerd door elektromagnetische golven in een geleidend magnetische veld, elektroden zijn overbodig. Het plasma wordt enorm heet, en het geleiden hiervan is een lastige uitdaging. Het plasma wordt geïsoleerd van de nabije structuren en vaatwanden door een niet-materiële  ‘huls’; een krachtveld van de juiste vorm en sterkte, dit permitteert plasma temperaturen en dichtheden zo veel hoger te kunnen oplopen en dit kan  op zijn beurt weer de power density  (n.4) verhogen van de raket. In  de VASIMR is een power density van meerdere MW/m2  haalbaar. Zo een HP (high power) elektrisch voortstuwingssysteem is voor meerdere toepassingen bruikbaar. Bij nucleaire voortstuwing voor de ruimtevaart wordt meestal hetzij nuclear-thermisch hetzij nucleair elektrische voortstuwing bedoeld. Bij NTP wordt de hitte van de reactor overgebracht naar een drijfgas, meestal waterstof gas, welke expandeert en geaccelereerd wordt  om de raket van  voortstuwingskracht te voorzien. Er kunnen hierbij S.I. ’s worden bereikt die twee maal zo hoog zijn als met conventionele chemische raketmotoren, die beperkt worden door materiaaleigenschappen, echter bij  SEP en NEP heeft zo een zeer hoge specifieke impuls ook een nadeel, namelijk een hoog energieverbruik in verhouding tot de stuwkracht.

Blik over MIT PSFC credits; alamy

Ad Astra Rocket Co. ziet zijn eerste commerciële toepassingen m.g.v. SEP aangedreven VASIMR in LEO en de translunaire omgeving. Een vermogen van enige tientallen tot honderden kilowatts zou daarbij afdoende moeten zijn (50 kW e.v.).  Nieuwe in de  ruimtevaart toegepaste technologieën als plasma engineering vinden hun oorsprong vaak buiten NASA om. High power (HP verder genoemd) elektrische aandrijving heeft zijn oorsprong in de thermonucleaire fusie.  De VASIMR zag het licht aan het MIT plasma science fusie centrum (MIT-PSFC)  als een niet-fusie variant van  het  zogeheten ‘tandem magnetic mirror fusion concept’  Bij dit  experiment sloot de machine ionen en elektronen op tussen twee magnetische spiegels. Ionen stuiterden heen en weer in een rij, botsten in het midden en fuseerden.  Met  ontwerpeigenschappen waarvan de karakteristieken  ontleend waren van het ‘magnetic divertor’ (zowel nl/eng) apparaat, in de nucleaire fusietechniek is een ‘divertor’ een apparaat  binnenin een Tokamak fusiereactor  dat onzuiverheden van het plasma verwijdert terwijl de reactor in bedrijf is. Dit permitteert controle over de opbouw en samenstelling van fusie producten in de brandstof.  VASIMR  (het 1e ontwerp stamt uit 1987)  verhuisde pas na 10 jaar naar een NASA faciliteit (JSC). Het voorgaande wil niet zeggen dat chemische aandrijving overbodig wordt. Voorlopig blijft het nog het meest praktisch  voor LEO en ISS bevoorradingsvluchten zeker als de volgende generatie raketten herbruikbaar zijn. Echter voor een duurzame expansie van  de ruimte, heeft  men met de VASIMR het voordeel van een groot elektrisch vermogen dat van cruciaal belang is voor exploratie in het zonnestelsel. De kracht van de zon is  goed voor het HP SEP systeem tot zeker 1 MW. Voor alles boven de 1MW worden geavanceerde NEP krachtbronnen vereist, o.a. voor Aarde-Mars transitvluchten. Tevens wil Ad Astra op de maan een testfaciliteit bouwen, de omgeving is geschikt voor het grondig testen van multi MW plasma (SEP en NEP) motoren.

VASIMR lab experiment credits; D.Darling

Concept, jaren ’80
De  specifieke impuls is de tijdsduur gedurende welke 1kg. reactiemassa een stuwkracht kan opwekken van 1 kilogramkracht (9,8 newton). Hoe hoger de S.I. des te brandstof efficiënter (n.5) de raket is.  Het probleem is dat elektrisch voortgestuwde raketten een laag vermogen hebben daar ze ‘power limited’ zijn (i.p.v. fuel limited zoals chemische raketten n.6). Het vermogen zou omhoog moeten zonder aan S.I. in te boeten. Dr. Chang Díaz bekeek de optie ingesloten thermonucleaire fusie, waar wetenschappers het plasma ‘vangen’ d.m.v. magnetische velden in een soort van niet-materiële ‘buis’ of huls. Daar ze niet-materieel zijn, zijn ze relatief ongevoelig voor het ultra hete plasma dat ze bevatten. Met een afdoende elektrische krachtbron,  kan zo een plasma raket toch aanzienlijk hogere  prestaties leveren die ver boven de waarden van haar chemische tegenhangers uitstijgt. Ook bouwde hij een gemagnetiseerde straalpijp  die, net als het plasma in ingesloten fusie, ongevoelig is voor de extreme temperaturen die vereist worden voor zo een hoog vermogen, en temperaturen kan verdragen van meer dan 10.000 K, daar het plasma door een sterk magnetisch veld afgehouden wordt van de uitlaat wanden. Het magnetisch veld  wordt geproduceerd door lichte supergeleidende elektromagneten, die  de, i.t.t.  een conventionele straalpijp,  gemagnetiseerde  plasma’s interne energie in gerichte stroomsnelheden converteert, en produceert vanwege de extreem hoge temperatuur, tevens  extreme uitstoot snelheden  wat resulteert in raketten met ongekend hoge prestaties. In de ’70 jaren waren diverse plasmaverhittingstechnieken voorradig  o.a. HP lasers, echter I.t.t.  fusietechnologie in de industrie moet de technologie voor de ruimtevaart compact, licht en hoog efficiënt zijn.  Geen methode was geschikt voor de VASIMR. O.a. het gewicht was een showstopper.  Dus waar moest dan de elektriciteit voor deze machine vandaan gehaald worden om de raket voort te stuwen. In de jaren ’90 waren er een drietal nuttige ontwikkelingen, o.a.  ultra compacte transistors RF bronnen (MOSFETS n.7) , extreem hittebestendige keramische bekleding, en HT supergeleiders.  De hoeveelheden energie van de zon of reactor  is ongelimiteerd, maar wordt beperkt door de hoeveelheid  ervan die  gepompt kan worden in de brandstof iedere seconde/tijdseenheid. Over een bepaalde periode is de elektrische raket in staat om meer totale energie in iedere kilo brandstof te pompen dan chemische raketten,  en stijgt de S.I. Een  krachtige elektrische raket als de VASIMR zal   grote hoeveelheden energie in kleine eenheden verwerken. Het netto resultaat is een hoger energie traject en dus een snellere interplanetaire transit. Voor deze HP schaalbaarheid is een nucleaire reactor geen noodzaak, de VASIMR kan net zo goed opereren met SEP en zeker in toepassingen in LEO en robotische cargoschepen. Maar het is tegelijkertijd belangrijk te kijken  naar het optimaliseren van het gebruik van de VASIMR. Bij een constante hoeveelheid voortstuwingskracht  zijn  vermogen en S.I. invers gerelateerd en functioneren ze net als bij de versnellingen van een auto. In een omgeving bv. bij een planeet met veel zwaartekracht, kun je de voortstuwingskracht beter gebruiken  en omzetten in vermogen dat voorziet in veel manoeuvreerkracht. En als het schip minder  zwaartekracht ervaart kan het elektrisch vermogen beter gebruikt worden om de S.I. te verhogen zodat brandstofconsumptie efficiënter wordt  en hogere snelheden bereikt kunnen worden. Dit ‘koppelen’ wordt ook wel ‘constant power throttling’ of CPT, daar tijdens dit proces het totaal gebezigde hoeveelheid voortstuwingskracht constant blijft. De VASIMR heeft  CPT  en kan zo haar brandstofverbruik optimaliseren.

Grid ionen motoren (GIE’s ) zijn prima voor LP toepassingen. Voor het opschalen van deze systemen tot 100 kW en uiteindelijk  MW voor een bemand ruimtevaartprogramma zijn deze GIE’s veel minder praktisch. HP toepassingen van deze  vereisen dus het ‘clusteren’ van motoren wat het systeem extreem complex maakt. Dr. Chang Diaz benadering van een plasma raket concentreerde zich op deze ‘low density’ plasma ontladingen. Hij maakte een uiterst grondige studie fusietechnologie gedurende zijn PhD aan  het MIT/Draper lab. en richtte zijn pijlen op de ‘magnetic divertor’, een apparaat speciaal ontworpen ontworpen om met magnetische velden uit het plasma onzuiverheden te verwijderen die migreerden  naar de reactor wanden. In een fusie reactor neigen deze het plasma steeds af te koelen, door het stimuleren van te veel stralingsemissie. Om het plasma heet genoeg te maken voor het fusieproces is het belangrijk dat plasma schoon blijft. Helaas blijven sommige plasmadeeltjes de vaatwanden bombarderen, en resten van zware atomen als tungsten afzetten. Echter bleek de ‘magnetic divertor’  een uiterst succesvol apparaat om deze onzuiverheden te verwijderen voordat ze een kans hadden diep in de kern van plasma te dringen. Zo goed, dat de divertor een standaard  design feature werd in de Tokamak, de meest geavanceerde fusiereactor van vandaag. Volgende vraag was wat  te doen met het miljoen graden hete afval dat weggeschept werd door de divertor, en i.p.v. opruimen nu een ‘gasgordijn’   in de vorm van een supersonische jetstraal of ‘gas target divertor’. Deze gas target divertor kan, zo bedacht Diaz, zelfs als een soort van basis dienen van de raket, en bestempelde hem voorlopig de ‘hybride plume plasma rocket’ (n.8) voorloper van de latere veel compactere VASIMR. Het bestond uit een cilindrische magnetische pijp gevormd door een set van elektrische stroomringen of spoelen met een gladde of geribbelde topologie. Chang Diaz’ dusdanige opstelling had bovendien  de mogelijkheid  om te variëren met de uitstootsnelheid of S.I en  het vermogen zonder de vermogensafstelling  van de motor te veranderen. ( CPT zie hierboven alinea 3)

STS-61C crew credits; nasa

Charles F. Bolden, astronaut, voormalig NASA hoofd credits; nasa

In 1980 ging Dr. Chang Diaz in astronautentraining met o.a.  Wubbo Okkels, ook continueerde hij zijn onderzoek. Met Dr.  Charles Bolden, bezoekt hij geregeld  het MIT/PSFC. In 1981 geeft hij een formele beschrijving van het concept, als een ‘hybride type plume plasma rocket’ (n.8); een lineair ingesloten plasma zoals in het tandem mirror concept met een extern axiaal magnetisch veld. De stuwkracht wordt gecreëerd door het plasma in de kern van een expansie-gasstraal te voeren en het resultaat is een pluimvormig temperatuurprofiel dat voldoet aan de vereisten voor lage temperaturen aan de rand maar mag stijgen tot  nabij de middenlijn van de pluim. (n.8)Het werk aan de magnetische divertor continueerde m.m.v. JSC/MIT/Draper, en resulteerde erin dat deze verfijnder werd. Bij het JSC installeerde  Diaz een tektronix terminal waar de eerste virtuele 3D contouren van de vroege VASIMR plasma raketmotor verschenen. STS-61C  is Diaz 1e ruimtevlucht, jan.1986. Het onderzoek aan de VASIMR begon vorm te krijgen en het  team wilde een kleine onderzoeks ‘linear magnetic mirror machine’ te maken om de fysica achter de VASIMR grondig te bestuderen, en de constructie werd bij het MIT-PSFC opgesteld, en voltooid in 1987, maar leek nog alles behalve een raket. De configuratie benaderde meer de topologie van  het tandem magnetic mirror concept zelf, een lineaire opstelling van stroomringen die een solenoïde vormen, een centrale celring, met twee kleinere maar sterkere paren van stroom ringen aan iedere kant, de eindringcellen, met een eindcel iets smaller toegeknepen dan de andere. Het plasma  kon geïnjecteerd worden door het toegeknepen eind, verhit tot de gewenste condities in de centrale cel en uitgestoten. Deze  demonstratie opstelling is  een van de specifieke karakteristieken gebleven van de VASIMR.  Om het apparaat een cilindrische roestvrijstalen masssieve  vacuumkamer, voorzien van  diagnostische vensters en RF voedingssluizen.  De vacuumkamer, gebouwd in MIT  was ontworpen om te passen in de complexe  solenoïdale setup van magnetische spoelen. De eerste resultaten  van zijn experimenten dateren van 1988. Het was van cruciaal belang om de stabiliteit van een axiaal asymmetrisch plasma in een lineaire opstelling aan te tonen, gevoed door de injectie van drijfgas aan het ene uiteinde en het magnetische mondstuk aan het andere. Het was belangrijk om aan te tonen dat het plasma efficiënt kon worden gegenereerd en op de vereiste snelheid kon worden geïnjecteerd en dat het verder zou worden verhit tot de gewenste raketomstandigheden door de werkwijze die bekend is als ionen cyclotron resonantie verwarming (n.9, in 1980 was ICHR bekend in fusie-apparaten met magnetische insluiting, populair in tokamaks, waar RF antennes in de toruskamer tot enkele MW’s vermogen konden leveren aan waterstof met een hoge dichtheid,  lineaire apparaten voor fusie waren minder talrijk en bleven terrein verliezen aan de meer populaire toroïdale (in een ringkern) systemen zoals tokamaks). Het was een start. Bron; Eric Seedhouse, To Mars and beyond, Fast! Springer, 2017
noten
noot 1: S.I.De  specifieke impuls is de tijdsduur gedurende welke 1kg. reactiemassa een stuwkracht kan opwekken van 1 kilogramkracht (9,8 newton).

noot 2: MPD engine; Magnetoplasmadynamic thruster/boegschroef; is een elektrisch aangedreven ruimtevaartuig die de Lorentzkracht  (de kracht op een geladen deeltje door een elektromagnetisch veld) gebruikt om stuwkracht te genereren.

noot 3; HALL effect engine; vangen elektronen op in een magnetisch veld  en gebruiken vervolgens de elektronen om drijfgas te ioniseren, de ionen efficiënt te versnellen om stuwkracht te produceren en de ionen in de pluim te neutraliseren.

noot 4:  Power density, vermogensdichtheid;  is de hoeveelheid energie (tijdsduur van energieoverdracht) per volume-eenheid. vermogensdichtheid verwijst naar een volume. Het wordt dan ook volume vermogensdichtheid genoemd, uitgedrukt als W / m3.

noot 5: Mass/Ratio efficiëntie;de verhouding van een volledig gevulde raket tot een brandstofloze. de spaceshuttle heeft een massaverhouding van ongeveer 16 en de andere raketten 8 tot 20. hier is het grootste deel van de raket brandstof, het krijgen van massaverhouding steeds dichter bij 1 betekent hogere s.i., naarmate meer en meer van de raket laadvermogen en structuur is, waarbij de brandstof minder en minder weegt, is een gerelateerde term de payload-fractie, berekend door het gewicht van de lading te laten wegen door het gewicht van een volgetankte raket.  De shuttle weegt 4,5 miljoen pond naar een lage aardbaan, waardoor het een payload-fractie heeft van 1,4 procent. Afnemende massaverhoudingen en toenemende payload-breuken betekenen een steeds efficiëntere raket.

noot 6; Power limited/Fuel limited:Een vermogensbeperkte motor is er een die inherent niet in staat is om maximale spanningen te overschrijden, of is uitgerust met een stroombeperkende bron. Fl; het energieniveau blijft toenemen tot alle brandstof verbruikt is.

noot 7: MOSFETS;HP metaal oxide semi geleidende veld effect transistors 

Reacties

  1. Thank you …good article

Laat wat van je horen

*