Pendorong Plasma Bisa Jadi Kandidat Teknologi Misi Antarplanet Berawak

Nationalgeographic.co.id—Pendorong Hall, jenis penggerak listrik efisien yang banyak digunakan di orbit, diyakini para ilmuwan harus berukuran besar untuk menghasilkan banyak dorongan. Akan tetapi, menurut studi baru dari University of Michigan menunjukkan bahwa pendorong Hall yang lebih kecil pun dapat menghasilkan lebih banyak dorongan – bahkan berpotensi menjadikannya sebagai kandidat untuk misi antarplanet di masa depan.

"Orang-orang sebelumnya berpikir bahwa Anda hanya dapat mendorong sejumlah arus melalui area pendorong, yang pada gilirannya diterjemahkan langsung menjadi berapa banyak kekuatan atau dorongan yang dapat Anda hasilkan per satuan luas," kata Benjamin Jorns, profesor teknik kedirgantaraan UM yang memimpin studi pendorong Hall baru yang telah dipresentasikan di AIAA SciTech Forum di National Harbor, Maryland, pada 19 Januari.

Timnya menantang batas ini dengan menjalankan pendorong Hall 9 kilowatt hingga 45 kilowatt, mempertahankan sekitar 80% dari efisiensi nominalnya. Ini meningkatkan jumlah gaya yang dihasilkan per satuan luas hampir dengan faktor 10.

Apakah kita menyebutnya pendorong plasma atau penggerak ion, propulsi listrik adalah pilihan terbaik kita untuk perjalanan antarplanet, tetapi sains berada di persimpangan jalan. Sementara pendorong Hall adalah teknologi yang telah terbukti dengan baik, sebuah konsep alternatif yang dikenal sebagai pendorong magnetoplasmadinamis, menjanjikan untuk mengemas lebih banyak tenaga ke dalam mesin yang lebih kecil. Namun, mereka belum terbukti dalam banyak hal, termasuk seumur hidupnya.

Pendorong Hall diyakini tidak dapat bersaing karena cara mereka beroperasi. Propelan, biasanya gas mulia seperti xenon, bergerak melalui saluran silinder yang dipercepat oleh medan listrik yang kuat. Ini menghasilkan dorongan ke arah depan saat berangkat dari belakang. Tetapi sebelum propelan dapat dipercepat, ia perlu kehilangan beberapa elektron untuk memberinya muatan positif.

Elektron yang dipercepat oleh medan magnet untuk berjalan dalam cincin di sekitar saluran itu – digambarkan sebagai “gergaji dengungan” oleh Jorns – menjatuhkan elektron dari atom propelan dan mengubahnya menjadi ion bermuatan positif. Namun, perhitungan menunjukkan bahwa jika pendorong Hall mencoba mendorong lebih banyak propelan melalui mesin, elektron yang mendesing dalam sebuah cincin akan terlempar keluar dari formasi, merusak fungsi "gergaji dengungan" itu sendiri.

"Ini seperti mencoba menggigit lebih dari yang bisa Anda kunyah," kata Jorns. "Buzz saw tidak bisa menembus material sebanyak itu."

Selain itu, mesin akan menjadi sangat panas. Tim Jorns telah menguji keyakinan ini.

"Kami menamai pendorong kami H9 MUSCLE karena pada dasarnya, kami mengambil pendorong H9 dan membuat mobil berotot dengan memutarnya hingga 11 - benar-benar hingga seratus, jika kami menggunakan penskalaan yang akurat," kata Leanne Su, seorang mahasiswa doktoral di bidang teknik kedirgantaraan yang akan mempresentasikan penelitian tersebut.

Mereka mengatasi masalah panas dengan mendinginkannya dengan air, yang memungkinkan mereka melihat seberapa besar masalah yang akan ditimbulkan oleh dengungan tersebut. Ternyata, tidak banyak kesulitan. Berjalan dengan xenon, propelan konvensional, H9 MUSCLE bekerja hingga 37,5 kilowatt, dengan efisiensi keseluruhan sekitar 49%, tidak jauh dari efisiensi 62% pada daya desainnya sebesar 9 kilowatt.

Berjalan dengan kripton, gas yang lebih ringan, mereka memaksimalkan catu daya mereka pada 45 kilowatt. Pada efisiensi keseluruhan 51%, mereka mencapai daya dorong maksimum sekitar 1,8 Newton, setara dengan pendorong X3 Hall kelas 100 kilowatt yang jauh lebih besar.

"Ini adalah hasil yang gila, karena biasanya kinerja kripton jauh lebih buruk daripada xenon pada pendorong Hall. Jadi, ini sangat keren dan jalur ke depan yang menarik untuk melihat bahwa kami benar-benar dapat meningkatkan kinerja kripton relatif terhadap xenon dengan meningkatkan kerapatan arus pendorong, " tutur Su, bersemangat.

Baca Juga: Ketika Pesawat Luar Angkasa NASA Menabrak Asteroid Selebar 160 Meter

Baca Juga: Perdana, Pesawat Luar Angkasa Ini Berhasil 'Sentuh' Matahari

Baca Juga: Wally Funk, Nenek Berusia 82 Tahun Akan Jelajahi Luar Angkasa

Baca Juga: Tujuh Fakta Terungkap dari X-37B, Pesawat Antariksa Rahasia Milik AS 

Pendorong Nested Hall seperti X3 - juga dikembangkan sebagian oleh UM - telah dieksplorasi untuk transportasi kargo antarplanet, tetapi mereka jauh lebih besar dan lebih berat, sehingga sulit untuk mengangkut manusia. Kini, pendorong Hall biasa dapat digunakan untuk perjalanan berawak.

Jorns mengatakan bahwa masalah pendinginan akan membutuhkan solusi ruang yang layak jika pendorong Hall dijalankan dengan kekuatan tinggi ini. Tetap saja, dia optimis bahwa pendorong individu dapat berjalan pada 100 hingga 200 kilowatt, disusun menjadi susunan yang memberikan daya dorong senilai megawatt. Ini dapat memungkinkan misi berawak untuk mencapai Mars bahkan di sisi terjauh matahari, menempuh jarak 400 juta kilometer.

Tim berharap untuk mengejar masalah pendinginan serta tantangan dalam mengembangkan baik pendorong Hall dan pendorong magnetoplasmadynamic di Bumi, di mana hanya sedikit fasilitas yang dapat menguji pendorong tingkat misi Mars. Jumlah propelan yang keluar dari pendorong datang terlalu cepat bagi pompa vakum untuk menjaga kondisi di dalam ruang pengujian seperti ruang angkasa.