İyon itki çalışmaları 1950’lerde başladı ve roket itkisi için ilk iyon motorlarını NASA’nın Glenn Araştırma Merkezi üretti. Bu sistemde elektronlar bir katot tüpü aracılığıyla iticiye sokuluyor. Yapıları itibariyle eksi yüklü olan elektronlar güçlü elektromıknastıslar tarafından çekildikleri deşarj odasında yakıtla temas ediyor. Yakıt olarak genelde soy gaz ksenon kullanılıyor. Serbest bir elektron, yakıtın nötr atomlarından birine çarpınca ksenon iki eksi elektron ve bir pozitif iyon oluşturacak biçimde parçalanıyor.
Ardından iyonlar binlerce eşmerkezli (koaksiyel) açıklığa sahip birer elektrot olan iyon optiklerine girmeye zorlanıyor. Çıkışa yakın uç eksi, rokete yakın uçsa artı yüklü oluyor. Artı yüklü iyonlar açıklığın ucundaki eksi yüke doğru akıyor,sıkışıyor ve bir iyon akışı oluşturuyor. Bu iyon akışı da iticinin bir ucundan dışarı çıkarak,roketi itecek kuvveti meydana getiriyor.
Sistemin ne artı ne de eksi olmasını sağlamak için, adına nötralizör denen bir katot tüpü, iyon akışına eksi yüklü elektronlar karıştırıyor. Bunlar artı yüklü iyonlarla karışarak tüm süreci dengeliyor ve böylece egzoz yüksüz oluyor. İyon motorlarının ana faydası, roketleri kimyasal güçlü roketlere kıyasla çok daha hızlı itebilmeleri. Artık emekliye ayrılan Uzay Mekiği’nin azami hızı saatte 28.000 km idi ama bir iyon iticisi, roketi saatte 322.000 kilometre hıza çıkarabiliyor.
Ne yazık ki bu teknolojinin dezavantajı,iyon itkisinin oluşturduğu itki miktarının çok küçük olması. Bir iyon motoru ancak 0,5 Newton kuvvet üretebiliyor. Bu da avucunuzda on tane 50 kuruşluk para tutmaya eşdeğer. Bu yüzden hızlanma aşırı yavaş gerçekleşiyor ama çok uzun süre devam edebiliyor. İyon motorlarının iki büyük avantajı, uzun ömürlü olmaları ve roketleri şimdiye dek hiç olmadığı kadar hızlandırabilmeleri.
NASA’nın Evrimsel Ksenon İticisi (NEXT) dünyanın en gelişmiş iticilerinden biri. NEXT, bu birimlerin ne kadar enerji sağlayabileceğine yönelik bir testte tam 48.000 saat (5,5 yıldan uzun süre) hiç kesintisiz çalıştı.
Deney sırasında NEXT yalnızca 870 kg yakıt tüketti ki bu da geleneksel bir iticinin yakıt tüketiminin onda birinden az (geleneksel itici bunun için 10.000 kg yakıt harcayacaktı.)
Ağırlıktan elde edilen tasarruf daha küçük uzay araçlarının daha büyük araçların görevlerini üstlenmesini ve eskisinden çok daha uzun süre görev yapabilmesini sağlayacak.
İyon İtici Nasıl Çalışıyor?
- Katot Tüpü: Sistemin giriş noktasındaki tüp, eksi yüklü elektronları ateşliyor.
- Yakıt Enjeksiyonu: Genelde ksenon gazı, inert, renksiz ve nötr olduğu için tercih ediliyor. Gaz buradan sisteme pompalanıyor.
- Manyetik Alan: Atomları ve elektronları birbirine yaklaştırıp çarpışma potansiyelini artırmak için bir elektromanyetik alan yaratılıyor.
- Çarpışmalar: Elektronlarla atomlar çarpışınca ksenon atomları iki adet eksi yüklü elektron ve bir adet artı yüklü iyon oluşturacak biçimde parçalanıyor.
- Plazma: Artı ve eksi yüklü atomların toplamı sıfır olunca plazma oluşuyor.
- Hızlandırıcı Izgara: Bir ucu eksi yüklü çok sayıda açıklık var. Hızını artırmak için elektromanyetik olarak yüklenmiş artı iyonlar bu tarafa hareket ediyor.
- İyon Akışı: İyonlar sıkıştırılıp hızlandırılarak aşırı hızlı iyon akışları oluşturuluyor. Bu da roket için itki sağlıyor.
- Katot Tüpü Nötralizörü: Bu tüp eksi yüklü elektron ateşleyerek dışarı atılan artı yüklü iyonları dengeliyor.