Хотя ионная тяга становится все более популярной для космических аппаратов и используется в различных миссиях, технология не лишена недостатков. Одна из основных проблем заключается в том, что вырывающаяся из сопла струя ионизированного газа может повредить сам космический аппарат. Несмотря на то, что она направлена в сторону от зонда, электроны могут изменять траекторию и двигаться в другую сторону. Это может привести к повреждению солнечных батарей, антенн связи и других не защищенных компонентов. Поскольку космические миссии длятся годами, если не десятилетиями, то в течение столь долгого времени повреждения могут привести к потере работоспособности.
Чтобы принять меры для защиты космического аппарата от подобных электронов, необходимо понять их поведение в ионной струе двигателя. Эту задачу решили Цуй и Джозеф Ванг из Южно-калифорнийского университета.
Они провели симуляцию выхлопа от ионного двигателя на суперкомпьютере, моделируя поведение электронов в соответствии с законами термодинамики и оценив влияние заряженных частиц на общие характеристики струи.
Цуй и Ванг обнаружили, что поведение электронов зависит от их температуры и скорости. Оказалось, что частицы в середине струи, движущиеся быстрее всего, имеют более-менее постоянную температуру. А те, что снаружи, быстрее остывают, замедляются и покидают ионный пучок. Именно эти частицы могут поменять направление и ударить по космическому аппарату.
Теперь инженеры могут учесть это обстоятельство при проектировании будущих двигателей на электрической тяге, найдя способы ограничения обратного рассеивания или более эффективного удержания электронов в ядре пучка.
Принцип работы ионного двигателя заключается в том, что электрический ток ионизирует атомы нейтрального газа (то есть вырывает из них электроны, превращая в ионы), такого как ксенон или криптон, хранящиеся на борту космического аппарата. Процесс ионизации создает облако ионов и электронов. Затем благодаря эффекту Холла, когда электрический ток проходит через проводник, находящийся в магнитном поле, внутри проводника возникает поперечное электрическое поле. Это поле создает разность потенциалов (напряжение) между двумя сторонами проводника, перпендикулярными направлению тока и магнитного поля, которое ускоряет ионы и электроны и направляет их в сопло. Струя ионов вырывается из космического аппарата со скоростью свыше 60 тыс. км/ч.
Согласно третьему закону Ньютона, каждому действию соответствует равное и противоположное противодействие. Таким образом, струя ионов, вырывающихся из космического аппарата, обеспечивает тягу. Однако импульс, создаваемый ионными двигателями, не такой мощный, как у химических ракет, поскольку несмотря на высокую скорость, ионная струя довольно разрежена. Зато ионные двигатели требуют меньше топлива и, следовательно, имеют меньшую массу, что снижает стоимость запуска. К тому же они не расходуют все топливо так быстро, как химические ракеты. Энергия для ионного двигателя может генерироваться солнечными батареями или радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.
Электрическая тяга представляет собой более эффективную альтернативу традиционным химическим двигателям и все чаще используется в космических миссиях. Прототипы такого устройства были установлены на борту аппаратов Deep Space 1 от NASA (1998 год) и SMART-1 ESA (2003 год). Сегодня ионные двигатели используют спутники Starlink, модуль «Тяньхэ» китайской орбитальной станции «Тяньгун», ими были оснащены обе японские миссии «Хаябуса», доставившие на Землю образцы грунта с астероидов. Электрическая тяга, возможно, будет использоваться на космической станции NASA Lunar Gateway.