(English: Ion Thruster, Ion Engine)
Mesin ion adalah suatu bentul propulsi elektrik yang digunakan di penerbangan luar angkasa. Mesin ion menciptakan dorongan dengan cara mempercepat ion, menggunakan gaya elektrostatik atau elektromagnetik. Mesin ion elektrostatik menggunakan gaya Coulomb dan mempercepat ion-ion di medan listrik. Mesin ion elektromagnetik menggunakan gaya Lorentz untuk mengakselerasi ion-ion.
Gaya yang dihasilkan mesin ion lebih kecil dibandingkan dengan mesin roket biasa, tapi bisa mendapatkan impuls spesifik atau efisiensi propellan yang sangat besar.
Mesin ion membutuhkan energi yang cukup tinggi, dan dampaknya pada lingkungan dikarenakan ion-ion yang dihasilkan, mesin ion hanya diaplikasikan pada luar angkasa.
Mesin ion dieksperimenkan pertama kali oleh Robert Goddard di Clark College dari 1916-1917. Teknik eksperimen dilakukan pada keadaan mendekati vakum pada ketinggian yang cukup tinggi, tapi gaya dorong didemonstrasikan oleh hasil ionisasi arus udara pada tekanan atmosfer. Idenya muncul kembali oleh Hermann Oberth dalam bukunya, "Wege zur Raumschiffahrt” (Ways to Spaceflight), tahun 1929, di mana ia menjelaskan pemikiran menghemat massa dalam propulsi elektrik, memprediksi pada penggunaan pada luar angkasa dan menjelaskan pemercepatan elektrostatik pada gas bertekanan.
Sepertinya sudah menjadi rahasia umum bahwa teknologi hemat energi dikembangkan setelah harga bahan bakar fosil melonjak, padahal teorinya sudah ada sejak lama.
Mesin ion yang bekerja penuh pertama kali dibuat oleh Harold F Kaufmann pada tahun 1959 di fasilitas NASA Glenn. Desainnya mirip dengan desain umum dari mesin ion elektrostatik dengan mercury sebagai bahan bakarnya. Tes suborbit mesin direncanakan tahun 1960an dan pada tahun 1964 mesin itu dibawa ke penerbangan suborbit Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). Mesin ion sukses terbang selama 31 menit sebelum akhirnya jatuh ke bumi.
The Hall Effect Thruster dipelajari di USA dan USSR secara independen tahun 1950an dan 1960an. Tetapi konsep Hall Thruster hanya dibangun untuk mendapatkan efisiensi tinggi dan dikerjakan di Soviet. Hall Effect Thruster dioperasikan oleh Soviet sejak tahun 1972 pada satelit-satelitnya. Hingga tahun 1990 mereka menggunakannya terutama untuk menstabilkan posisi dan arah satelit. Sekitar 100 hingga 200 mesin diselesaikan oleh Soviet dan Rusia hingga akhir 1990an. Desain Ion Thruster milik Soviet/Rusia diperkenalkan ke barat pada tahun 1992 setelah tim spesialis propulsi elektrik, di bawah naungan Ballistic Missile Defense Organization, mengunjungi laboratorium milik Soviet/Rusia.
Mesin ion memanfaatkan tembakan ion (atom atau molekul yang dimuat secara elektrik) untuk menciptakan dorongan berdasarkan hukum Newton ketiga. Metode mempercepat ion berbeda-beda, tapi semuanya mengambil manfaat dari tekanan/massa rasio ion-ion. Rasio ini berati mampu menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi dari perbedaan potensial yang relatif kecil. Ini bisa mengurangi massa reaksi atau bahan bakar yang dibutuhkan tapi meningkatkan jumlah tenaga yang dihasilkan dibandingkan dengan mesin roket biasa. Mesin ion pada akhirnya mampu menghasilkan impuls yang sangat-sangat tinggi.
Mesin ion elektrik umumnya menggunakan gas xenon, diionisasikan dengan menembakannya dengan elektron berenergi tinggi. Elektron ini bisa didapatkan dari filamen katoda yang panas dan diakselerasi di medan elektrik pada katoda menuju anoda (tipe mesin ion Kaufmann). Cara lainnya, elektron diakselerasi dengan mengosilasikan medan elektrik yang terinduksi oleh koil magnetik, yang menghasilkan penekanan yang berdiri sendiri.
Msin ion menembakan ion positif xenon saja. Dengan alasan menghindari kembalinya ion ke pesawat luar angkasa, diletakkan katoda lainnya dekat mesin yang menghasilkan elektron untuk menetrasilir ion yang ditembakkan.
Hall Effect Thruster mempercepat ion menggunakan potensial elektrik di antara anoda silindris. Bahan propelan (umumnya gas xenon atau bismuth) dibawa ke dekat anoda sehingga terionisasi, dan ion-ion tertarik ke katoda dan mempercepat diri melewatinya, mengambil elektron ketika meninggalkan mesin agar menjadi netral dan menghasilkan dorongan pada kecepatan tinggi.
Field Emission Electric Propulsion (FEEP) menggunakan teknologi yang lebih simpel, mempercepat ion logam cair untuk menciptakan dorongan. Sebagian besar desain menggunakan bahan bakar Caesium atau Indium sebagai propelan. Desain memuat sejumlah kecil reservoir propelan yang menyimpan logam cair, setetes logam cair keluar menuju cincin pemercepat. Caesium dan Indium digunakan karena massa atomnya yang cukup besar, potensial ionisasi yang rendah, dan titik lebur yang rendah. Sekali tetesan logam cair keluar menyentuh emiter, medan elektrik menyala dan cincin akselerator menyebabkan logam cair tidak stabil sehingga terionisasi, menciptakan ion positif yang bisa diakselerasikan di medan elektrik, menghasilkan dorongan. Dan ion keluar bersamaan dengan dinetralisasikannya ion tersebut.
Pulsed Inductive Thruster (PIT) menggunakan banyak gelombang dorongan dari pada menggunakan satu dorongan yang kontinu. PIT terdiri dari koil yang besar yang berbentuk cone mengelilingi tube yang mengeluarkan gas propelan. Amonia biasa digunakan pada PIT. Untuk seterusnya, sama dengan mesin ion pada umumnya.
Lithium Lorentz Force Accelerator (LiLFA)/ MagnetoPlasmaDynamic (MPD) menggunakan Hydrogen, Argon, Amonia, atau Nitrogen sebagai propelannya, kecuali LiLFA menggunakan Lithium. Gas-gas dimasukan ke ruang di mana mereka diionisasikan menjadi plasma oleh medan elektrik antara katoda dan anoda. Plasma lalu menghantarkan listrik antara anoda dan katoda. Ini menghasilkan medan magnetik di sekitar katoda yang melintas bersama medan elektrik, lalu mempercepat plasma dengan gaya Lorentz. Perbedaan LilFA dan MPD adalah LiLFA menggunakan uap Lithium, yang Lithiumnya sendiri bisa disimpan secara padat. Dan katoda MPD secara konstan kontak dengan plasma.
Electrodeless Plasma Thruster, merupakan desain yang unik, yaitu ketiadaan katoda dan anoda serta kemampuannya men-throttle mesin. Alasan dihilangkannya anoda dan katoda adalah erosi oleh ion yang menyebabkan berkurangnya umur mesin. Gas netral diionisasikan oleh gelombang elektromagnetik yang kemudian ditransfer ke ruang lain untuk dipercepat oleh listrik yang berosilasi dan medan magnet. Pemisahan antara ionisasi dan akselerasi memberikan mesin kemampuan untuk mengatur kecepatan aliran propelan dengan mengubah magnitude dorongan dan jumlah impuls.
Perbandingan
Usia Mesin
Keuntungan utama dari mesin ion adalah dorongan yang kecil dan efisiensi propelan. Efisiensi datang dari kecepatan tinggi yang dihasilkan, yang juga membutuhkan banyak energi, dan kemampuannya terutama dibatasi oleh keberadaan tenaga pesawat luar angkasa tersebut.
Dorongan yang kecil dan berkelanjutan dalam waktu lama dibutuhkan untuk menghasilkan perubahan kecepatan. Untuk mencapai perubahan kecepatan ini, mesin didesain untuk bertahan selama mingguan hingga tahunan.
Selain karena masalah energi, usia mesin didasarkan pada seberapa cepat bagian-bagian mesin dapat bertahan, umumnya, dari erosi oleh ion-ion yang dihasilkan. Tes yang dilakukan NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness, emsin ion bisa bertahan selama 3.5 tahun pada kemampuan maksimum.
Propelan
Energi ionisasi mewakili seberapa besar persentase energi dibutuhkan untuk menggerakan ion. Propelan ideal umumnya berupa molekul atau atom yang rasio energi antara massa yang besar per energi ionisasi. Sebagai tambahan, propelan seharusnya tidak menimbulkan erosi dan tidak mengkontaminasi mesin agar usia mesin lebih lama.
Beberapa mesin yang sudah ada menggunakan gas xenon karena energi ionisasi yang rendah dan nomor atom yang tinggi, sifat inertnya, dan rendah tingkat erosi. Tetapi xenon sangat rendah dalam suplai dan sangat mahal.
Desain yang lebih tua menggunakan mercury, tetapi sangat beracun, mahal, dan mengkontaminasi mesin dengan limbah logam.
Propelan lain adalah Bismuth, yang terlihat menjanjikan untuk diteliti lebih luas.
Sumber: En.wikipedia.org
Ditranslate oleh Sapto dengan kemampuan seadanya dan penambahan seperlunya yang sebenarnya tidak perlu-perlu amat.
Mesin ion adalah suatu bentul propulsi elektrik yang digunakan di penerbangan luar angkasa. Mesin ion menciptakan dorongan dengan cara mempercepat ion, menggunakan gaya elektrostatik atau elektromagnetik. Mesin ion elektrostatik menggunakan gaya Coulomb dan mempercepat ion-ion di medan listrik. Mesin ion elektromagnetik menggunakan gaya Lorentz untuk mengakselerasi ion-ion.
Gaya yang dihasilkan mesin ion lebih kecil dibandingkan dengan mesin roket biasa, tapi bisa mendapatkan impuls spesifik atau efisiensi propellan yang sangat besar.
Mesin ion membutuhkan energi yang cukup tinggi, dan dampaknya pada lingkungan dikarenakan ion-ion yang dihasilkan, mesin ion hanya diaplikasikan pada luar angkasa.
Mesin ion dieksperimenkan pertama kali oleh Robert Goddard di Clark College dari 1916-1917. Teknik eksperimen dilakukan pada keadaan mendekati vakum pada ketinggian yang cukup tinggi, tapi gaya dorong didemonstrasikan oleh hasil ionisasi arus udara pada tekanan atmosfer. Idenya muncul kembali oleh Hermann Oberth dalam bukunya, "Wege zur Raumschiffahrt” (Ways to Spaceflight), tahun 1929, di mana ia menjelaskan pemikiran menghemat massa dalam propulsi elektrik, memprediksi pada penggunaan pada luar angkasa dan menjelaskan pemercepatan elektrostatik pada gas bertekanan.
Sepertinya sudah menjadi rahasia umum bahwa teknologi hemat energi dikembangkan setelah harga bahan bakar fosil melonjak, padahal teorinya sudah ada sejak lama.
Mesin ion yang bekerja penuh pertama kali dibuat oleh Harold F Kaufmann pada tahun 1959 di fasilitas NASA Glenn. Desainnya mirip dengan desain umum dari mesin ion elektrostatik dengan mercury sebagai bahan bakarnya. Tes suborbit mesin direncanakan tahun 1960an dan pada tahun 1964 mesin itu dibawa ke penerbangan suborbit Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). Mesin ion sukses terbang selama 31 menit sebelum akhirnya jatuh ke bumi.
The Hall Effect Thruster dipelajari di USA dan USSR secara independen tahun 1950an dan 1960an. Tetapi konsep Hall Thruster hanya dibangun untuk mendapatkan efisiensi tinggi dan dikerjakan di Soviet. Hall Effect Thruster dioperasikan oleh Soviet sejak tahun 1972 pada satelit-satelitnya. Hingga tahun 1990 mereka menggunakannya terutama untuk menstabilkan posisi dan arah satelit. Sekitar 100 hingga 200 mesin diselesaikan oleh Soviet dan Rusia hingga akhir 1990an. Desain Ion Thruster milik Soviet/Rusia diperkenalkan ke barat pada tahun 1992 setelah tim spesialis propulsi elektrik, di bawah naungan Ballistic Missile Defense Organization, mengunjungi laboratorium milik Soviet/Rusia.
Mesin ion memanfaatkan tembakan ion (atom atau molekul yang dimuat secara elektrik) untuk menciptakan dorongan berdasarkan hukum Newton ketiga. Metode mempercepat ion berbeda-beda, tapi semuanya mengambil manfaat dari tekanan/massa rasio ion-ion. Rasio ini berati mampu menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi dari perbedaan potensial yang relatif kecil. Ini bisa mengurangi massa reaksi atau bahan bakar yang dibutuhkan tapi meningkatkan jumlah tenaga yang dihasilkan dibandingkan dengan mesin roket biasa. Mesin ion pada akhirnya mampu menghasilkan impuls yang sangat-sangat tinggi.
Mesin ion elektrik umumnya menggunakan gas xenon, diionisasikan dengan menembakannya dengan elektron berenergi tinggi. Elektron ini bisa didapatkan dari filamen katoda yang panas dan diakselerasi di medan elektrik pada katoda menuju anoda (tipe mesin ion Kaufmann). Cara lainnya, elektron diakselerasi dengan mengosilasikan medan elektrik yang terinduksi oleh koil magnetik, yang menghasilkan penekanan yang berdiri sendiri.
Msin ion menembakan ion positif xenon saja. Dengan alasan menghindari kembalinya ion ke pesawat luar angkasa, diletakkan katoda lainnya dekat mesin yang menghasilkan elektron untuk menetrasilir ion yang ditembakkan.
Hall Effect Thruster mempercepat ion menggunakan potensial elektrik di antara anoda silindris. Bahan propelan (umumnya gas xenon atau bismuth) dibawa ke dekat anoda sehingga terionisasi, dan ion-ion tertarik ke katoda dan mempercepat diri melewatinya, mengambil elektron ketika meninggalkan mesin agar menjadi netral dan menghasilkan dorongan pada kecepatan tinggi.
Field Emission Electric Propulsion (FEEP) menggunakan teknologi yang lebih simpel, mempercepat ion logam cair untuk menciptakan dorongan. Sebagian besar desain menggunakan bahan bakar Caesium atau Indium sebagai propelan. Desain memuat sejumlah kecil reservoir propelan yang menyimpan logam cair, setetes logam cair keluar menuju cincin pemercepat. Caesium dan Indium digunakan karena massa atomnya yang cukup besar, potensial ionisasi yang rendah, dan titik lebur yang rendah. Sekali tetesan logam cair keluar menyentuh emiter, medan elektrik menyala dan cincin akselerator menyebabkan logam cair tidak stabil sehingga terionisasi, menciptakan ion positif yang bisa diakselerasikan di medan elektrik, menghasilkan dorongan. Dan ion keluar bersamaan dengan dinetralisasikannya ion tersebut.
Pulsed Inductive Thruster (PIT) menggunakan banyak gelombang dorongan dari pada menggunakan satu dorongan yang kontinu. PIT terdiri dari koil yang besar yang berbentuk cone mengelilingi tube yang mengeluarkan gas propelan. Amonia biasa digunakan pada PIT. Untuk seterusnya, sama dengan mesin ion pada umumnya.
Lithium Lorentz Force Accelerator (LiLFA)/ MagnetoPlasmaDynamic (MPD) menggunakan Hydrogen, Argon, Amonia, atau Nitrogen sebagai propelannya, kecuali LiLFA menggunakan Lithium. Gas-gas dimasukan ke ruang di mana mereka diionisasikan menjadi plasma oleh medan elektrik antara katoda dan anoda. Plasma lalu menghantarkan listrik antara anoda dan katoda. Ini menghasilkan medan magnetik di sekitar katoda yang melintas bersama medan elektrik, lalu mempercepat plasma dengan gaya Lorentz. Perbedaan LilFA dan MPD adalah LiLFA menggunakan uap Lithium, yang Lithiumnya sendiri bisa disimpan secara padat. Dan katoda MPD secara konstan kontak dengan plasma.
Electrodeless Plasma Thruster, merupakan desain yang unik, yaitu ketiadaan katoda dan anoda serta kemampuannya men-throttle mesin. Alasan dihilangkannya anoda dan katoda adalah erosi oleh ion yang menyebabkan berkurangnya umur mesin. Gas netral diionisasikan oleh gelombang elektromagnetik yang kemudian ditransfer ke ruang lain untuk dipercepat oleh listrik yang berosilasi dan medan magnet. Pemisahan antara ionisasi dan akselerasi memberikan mesin kemampuan untuk mengatur kecepatan aliran propelan dengan mengubah magnitude dorongan dan jumlah impuls.
Perbandingan
Data perbandingan kemampuan mesin ion yang telah ada.
| Engine | Propellant | Required Power | Specific Impulse | Thrust |
| NSTAR | Xenon | 2.3 | 3300 | 92 |
| NEXT | Xenon | 10.5 | 3900 | 364 |
| NEXIS | Xenon | 20.5 | 6000-7500 | 400 |
| HiPEP | Xenon | 25-50 | 6000-9000 | 460-670 |
| RIT 22 | Xenon | 5 | 3000-6000 | 50 - 200 |
| Hall effect | Bismuth | 25 | 3000 | 1130 |
| Hall effect | Bismuth | 140 | 8000 | 2500 |
| Hall effect | Xenon | 25 | 3250 | 950 |
| Hall effect | Xenon | 75 | 2900 | 2900 |
| FEEP | Liquid Caesium | 6x10-5-0.06 | 6000-10000 | 0.001-1 |
Data perbandingan kemampuan mesin ion yang sedang diujicobakan dalam bentuk gelombang.
| Engine | Propellant | Required Power | Specific Impulse | Thrust |
| MPDT | Hydrogen | 1500 | 4900 | 26300 |
| MPDT | Hydrogen | 3750 | 3500 | 88500 |
| MPDT | Hydrogen | 7500 | 6000 | 60000 |
| LiLFA | Lithium Vapor | 500 | 4077 | 12000 |
Usia Mesin
Keuntungan utama dari mesin ion adalah dorongan yang kecil dan efisiensi propelan. Efisiensi datang dari kecepatan tinggi yang dihasilkan, yang juga membutuhkan banyak energi, dan kemampuannya terutama dibatasi oleh keberadaan tenaga pesawat luar angkasa tersebut.
Dorongan yang kecil dan berkelanjutan dalam waktu lama dibutuhkan untuk menghasilkan perubahan kecepatan. Untuk mencapai perubahan kecepatan ini, mesin didesain untuk bertahan selama mingguan hingga tahunan.
Selain karena masalah energi, usia mesin didasarkan pada seberapa cepat bagian-bagian mesin dapat bertahan, umumnya, dari erosi oleh ion-ion yang dihasilkan. Tes yang dilakukan NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness, emsin ion bisa bertahan selama 3.5 tahun pada kemampuan maksimum.
Propelan
Energi ionisasi mewakili seberapa besar persentase energi dibutuhkan untuk menggerakan ion. Propelan ideal umumnya berupa molekul atau atom yang rasio energi antara massa yang besar per energi ionisasi. Sebagai tambahan, propelan seharusnya tidak menimbulkan erosi dan tidak mengkontaminasi mesin agar usia mesin lebih lama.
Beberapa mesin yang sudah ada menggunakan gas xenon karena energi ionisasi yang rendah dan nomor atom yang tinggi, sifat inertnya, dan rendah tingkat erosi. Tetapi xenon sangat rendah dalam suplai dan sangat mahal.
Desain yang lebih tua menggunakan mercury, tetapi sangat beracun, mahal, dan mengkontaminasi mesin dengan limbah logam.
Propelan lain adalah Bismuth, yang terlihat menjanjikan untuk diteliti lebih luas.
Sumber: En.wikipedia.org
Ditranslate oleh Sapto dengan kemampuan seadanya dan penambahan seperlunya yang sebenarnya tidak perlu-perlu amat.
