Pendorong ion

Pendorong ion adalah bentuk propulsi listrik yang digunakan untuk propulsi wahana antariksa. Propulsi jenis ini menciptakan daya dorong dengan mempercepat kation dengan memanfaatkan listrik. Istilah ini mengacu secara ketat pada pendorong ion elektrostatis, dan sering kali secara keliru diterapkan pada semua sistem propulsi listrik termasuk pendorong plasma elektromagnetik. Pendorong ion mengionisasi gas netral dengan mengekstraksi beberapa elektron dari atom, menciptakan awan ion positif. Pendorong ini bergantung pada fenomena elektrostatika karena ion-ion tersebut dipercepat oleh gaya Coulomb di sepanjang medan listrik. Elektron yang disimpan sementara akhirnya dikembalikan oleh penetral di dalam awan ion setelah elektron melewati jaringan elektrostatis, sehingga gas menjadi netral kembali dan dapat dengan bebas menyebar di luar angkasa tanpa interaksi listrik lebih lanjut dengan alat pendorong. Pendorong elektromagnetik bekerja sebaliknya, menggunakan gaya Lorentz untuk mempercepat semua ion (elektron bebas serta ion positif dan negatif) dalam arah yang sama apapun muatan listriknya dan secara khusus disebut sebagai mesin penggerak plasma, dengan medan listrik yang tidak searah dengan arah akselerasi.^[1][2]

Alat pendorong ion NASA 2.3 kW NSTAR untuk wahana antariksa Deep Space 1 selama uji penyalaan panas di Jet Propulsion Laboratory

Tes mesin ion NEXIS (2005)

Pendorong ion dalam penggunaan operasional memiliki kebutuhan daya input 1–7 kW (1,3–9,4 hp), kecepatan gas buang 20–50 km/s (45.000–112.000 mph), gaya dorong 25–250 milinewton (0,090–0,899 oz_f) dan efisiensi 65–80%,^[3][4] meskipun versi eksperimental telah mampu mencapai daya 100 kilowatt (130 hp) dan gaya dorong 5 newton (1,1 lb_f).^[5]

Wahana antariksa Deep Space 1 yang ditenagai oleh pendorong ion mengubah kecepatannya menjadi 43 km/s (96.000 mph) dan mengonsumsi kurang dari 74 kg (163 pon) xenon. Wahana antariksa Dawn memecahkan rekor dengan perubahan kecepatan 115 km/s (260.000 mph).^[6]

Aplikasi dari mesin ini termasuk kontrol orientasi dan posisi satelit yang mengorbit (beberapa satelit memiliki puluhan pendorong ion berdaya rendah) dan digunakan sebagai mesin penggerak utama untuk wahana antariksa robot bermassa rendah (seperti Deep Space 1 dan Dawn).^[3][4]

Asal mula

Wahana antariksa SERT-1

Orang pertama yang menulis makalah gagasan pendorong ion dan mengemukakannya di depan umum adalah Konstantin Tsiolkovsky pada tahun 1911.^[7] Namun, dokumen pertama yang mempertimbangkan propulsi listrik adalah buku catatan Robert H. Goddard dalam entri bertanggal 6 September 1906.^[8] Eksperimen pertama dengan pendorong ion dilakukan oleh Goddard di Universitas Clark 1916-1917.^[9] Teknik ini direkomendasikan untuk kondisi nyaris hampa udara pada ketinggian tinggi, tetapi gaya dorong ditunjukkan dengan aliran udara terionisasi pada tekanan atmosfer. Gagasan itu muncul lagi dalam "Wege zur Raumschiffahrt" (Ways to Spaceflight) karya Hermann Oberth, yang diterbitkan pada tahun 1923, di mana ia menjelaskan pemikirannya tentang penghematan massa bahan bakar dalam penggunaan propulsi listrik, memperkirakan penggunaannya dalam propulsi wahana antariksa dan kontrol attitude, dan menganjurkan percepatan gas bermuatan secara elektrostatis.^[7]

Pendorong ion yang pertama berfungsi dibangun oleh Harold R. Kaufman pada tahun 1959 di fasilitas Pusat Penelitian NASA Glenn. Pendorong ini mirip dengan pendorong ion elektrostatis dan menggunakan merkuri sebagai propelan. Uji suborbital dilakukan selama 1960-an dan pada 1964, mesin dikirim ke penerbangan suborbital di atas Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1).^[10][11] Mesin ini berhasil beroperasi selama 31 menit seperti yang direncanakan sebelum jatuh ke Bumi.^[12] Tes ini diikuti oleh uji orbital, SERT-2, pada tahun 1970.^[13][14]

Bentuk alternatif dari propulsi listrik, pendorong efek Hall, dipelajari secara independen di AS dan Uni Soviet pada 1950-an dan 1960-an. Pendorong efek Hall beroperasi pada satelit Soviet dari tahun 1972 hingga akhir 1990-an, terutama digunakan untuk stabilisasi satelit di arah Utara-Selatan dan Timur-Barat. Sekitar 100–200 unit mesin ini menyelesaikan misinya, terpasang pada satelit Soviet dan Rusia.^[15]

Referensi

1. Jahn, Robert G. (1968). Physics of Electric Propulsion (edisi ke-1st). McGraw Hill Book Company. ISBN 978-0070322448.
2. Jahn, Robert G.; Choueiri, Edgar Y. (2003). "Electric Propulsion". Encyclopedia of Physical Science and Technology. 5 (edisi ke-3rd). Academic Press. hlm. 125–141. ISBN 978-0122274107. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2020-05-25. Diakses tanggal 2019-07-20.
3. "Choueiri, Edgar Y. (2009). New dawn of electric rocket. The Ion Drive". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2016-10-18. Diakses tanggal 2019-07-20.
4. Choueiri, Edgar Y (2009). "New dawn of electric rocket". Scientific American. 300 (2): 58–65. Bibcode:2009SciAm.300b..58C. doi:10.1038/scientificamerican0209-58.
5. Jones, Brad and Bergan, Brad (2017) NASA’s New Ion Thruster Breaks Records, Could Take Humans to Mars
6. "The Human Exploration of Mars". Diakses tanggal 3 May 2019.
7. Choueiri, E. Y. "A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956)". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-04-28. Diakses tanggal 2016-10-18.
8. Mark Wright, April 6, 1999, science.nasa.gov, Ion Propulsion 50 years in the making Diarsipkan
9. "Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer". Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2009-06-26. Diakses tanggal March 28, 2012.
10. "Contributions to Deep Space 1". NASA.
11. Ronald J. Cybulski, Daniel M. Shellhammer, Robert R. LoveII, Edward J. Domino, and Joseph T. Kotnik, RESULTS FROM SERT I ION ROCKET FLIGHT TEST, NASA Technical Note D2718 (1965).
12. "Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel". Diarsipkan dari versi asli tanggal 2007-09-15. Diakses tanggal 2007-11-19.
13. NASA Glenn, "SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II) Diarsipkan 2011-09-27 di Wayback Machine. (Accessed July 1, 2010)
14. SERT Diarsipkan page at Astronautix (Accessed July 1, 2010)
15. "Native Electric Propulsion Engines Today" (dalam bahasa Rusia). Novosti Kosmonavtiki. 1999. Diarsipkan dari versi asli tanggal 6 June 2011.