Nonlocal electron heat-flux

Electron thermal conduction in a not quite collisional unmagnetlzed plasma is analysed. The failure of classical results for temperature scale-length up to 100 times larger than thermal mean-free-path for electron scattering, and large ion-charge number Z , is discussed. Recent results from a nonlocal model of conduction at large Z are reviewed. Closed form expressions for Braginskii's coefficients a ,/3 , y for Z =0(1) are derived. An extension of the nonlocal model for Z =0(1) is discussed.

Physics and applications of electrodynamic space tethers

Basic effects and dynamical and electrical contact issues in the physics of (electrodynamic space) bare tethers are discussed. Scientific experiments and powerpropulsion applications, including a paradoxical use of bare tethers in outer-planet exploration,are considered.

Nonuniform irradiation of laser targets

Smoothing of plasma ablated from a laser target under weakly nonuniform irradiation is discussed. Conduction is assumed restricted to a quasisteady layer enclosing the critical surface (large pellet or focal spot, and long, low-intensity, short-wavelength pulse). Light refraction can make the ablated plasma unstable.

Sudden transition to chaos in plasma wave interactions

The coherent three-wave interaction, with linear growth in the higher frequency wave and damping in the two other waves, is reconsidered; for equal dampings, the resulting three-dimensional (3-D) flow of a relative phase and just two amplitudes behaved chaotically, no matter how small the growth of the unstable wave. The general case of different dampings is studied here to test whether, and how, that hard scenario for chaos is preserved in passing from 3-D to four-dimensional flows. It is found that the wave with higher damping is partially slaved to the other damped wave; this retains a feature of the original problem an invariant surface that meets an unstable fixed point, at zero growth rate! that gave rise to the chaotic attractor and determined its structure, and suggests that the sudden transition to chaos should appear in more complex wave interactions.

Magnetic self-field effects on current collection by an ionospheric bare tether

It was recently suggested that the magnetic field created by the current of a bare tether strongly reduces its own electron-collection capability when a magnetic separatrix disconnecting ambient magnetized plasma from tether extends beyond its electric sheath. It is here shown that current reduction by the self-field depends on the ratio meterizing bias and current profiles along the tether (Lt tether length, characteristic length gauging ohmic effects) and on a new dimensionless number Ks involving ambient and tether parameters. Current reduction is weaker the lower Ks and L*/ Lt, which depend critically on the type of cross section: Ks varies as R5/3, h2/3R, and h2/3 1/4 width for wires, round tethers conductive only in a thin layer, and thin tapes, respectively; L* varies as R2/3 for wires and as h2/3 for tapes and round tethers conductive in a layer (R radius, h thickness). Self-field effects are fully negligible for the last two types of cross sections whatever the mode of operation. In practical efficient tether systems having L*/Lt low, maximum current reduction in case of wires is again negligible for power generation; for deorbiting, reduction is <1% for a 10 km tether and 15% for a 20 km tether. In the reboost mode there are no effects for Ks below some threshold; moderate effects may occur in practical but heavy reboost-wire systems that need no dedicated solar power.

Electron cooling in probe collection from magnetized plasmas with anomalous transport

The electron-retarding range of the current-voltage characteristic of a flat Langmuir probe perpendicular to a strong magnetic field in a fully ionized plasma is analysed allowing for anomalous (Bohm) cross-field transport and temperature changes in the collection process. With probe size and ion thermal gyroradius comparable, and smaller than the electron mean free path, there is an outer quasineutral region with ion viscosity determinant in allowing nonambipolar parallel and cross flow. A potential overshoot lying either at the base or inside the quasineutral region both makes ions follow Boltzmann's law at negative bias and extends the electron-retarding range to probe bias e(j)p ~ +2Too. Electron heating and cooling occur roughly at positive and negative bias, with a re-minimum around efa ~ - 2 7 ^ ; far from the probe heat conduction cools and heats electrons at and radially away from the probe axis, respectively. The potential overshoot with no thermal effects would reduce the electron current Ie, making the In Ie versus 4>p graph downwards-concave,but cooling further reduces Ie substantially, and may tilt the slope upwards past the temperature minimum. The domain of strict validity of our analysis is narrow in case of low ion mass (deuterium), breaking down with the ion Boltzmann law.

Fast magnetosonic wave excitation by an array of wires with time-modulated currents

The excitation of Fast Magnetosonic (FMS)waves by a cylindrical array of parallel tethers carrying timemodulated current is discussed. The tethers would fly vertical in the equatorial plane, which is perpendicular to the geomagnetic field when its tilt is ignored, and would be stabilized by the gravity gradient. The tether array would radiate a single FMS wave. In the time-dependent background made of geomagnetic field plus radiated wave, plasma FMS perturbations are excited in the array vicinity through a parametric instability. The growth rate is estimated by truncating the evolution equation for FMS perturbations to the two azimuthal modes of lowest order. Design parameters such as tether length and number, required power and mass are discussed for Low Earth Orbit conditions. The array-attached wave structure would have the radiated wave controlled by the intensity and modulation frequency of the currents, making an active experiment on non-linear low frequency waves possible in real space plasma conditions.

Floating bare tether as upper atmosphere probe

Use of a conductive bare tape electrically floating in low Earth orbit as an effective electron beam source to produce artificial auroral effects, free of problems that mard tandard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with keV energies over most of its length liberate secondary electrons that race down the magnetic field, excite neutrals in the E layer, and result in auroral emissions. The tether would operate with both a power supply and a plasma contactor off at nighttime; power and contactor would be on at daytime for reboost. Tomographic analysis of auroral emissions from the footprint of the beam, as observed from the spacecraft, can provide density profiles of dominant neutral species in the E layer. A characteristic tether system, at altitude 300 km and moderate orbital inclination, would involve an aluminum tape with a length of 20 km, a width of 15 mm, and a thickness of 0.2 mm for a full-system mass around 1200 kg, with two thirds going into the power subsystem.

Overal reaction rate and stoichiometry for thermal decomposition of hydrazine

An asymptotic analysîs of the Eberstein-Glassman kinetic mechanlsm for the thermal décomposition of hydrazine is carried out. It is shown that at températures near 800°K and near 1000°K,and for hydrazine molar fractions of the order of unity, 10-2 the entire kinetics reduces to a single, overall reaction. Characteristic times for the chemical relaxation of ail active, intermediate species produced in the décomposition, and for the overall reaction, are obtained. Explicit expressions for the overall reaction rate and stoichiometry are given as functions of température, total molar concentration (or pressure)and hydrazine molar fraction. Approximate, patched expressions can then be obtained for values of température and hydrazine molar fraction between 750 and 1000°K, and 1 and 10-3 respectively.

Efecto de extremo en la respuesta de una sonda cilíndrica de Langmuir

Tanto en plasmas de laboratorio como en la ionosfera, se ha observado recientemente un fenómeno nuevo en la respuesta de una sonda cilindrica de Langmuir que se mueve en un plasma rarificado. Bajo condiciones tales que: a) el potencial de la sonda respecto al plasma sea muy negativo; b)su velocidad sea mucho mayor que la velocidad de las ondas iono-acústicas del plasma; y c) la longitud de Debye sea grande comparada con el radio de la sonda pero pequeña con respecto a su longitud, la corriente eléctrica registrada por aquella muestra un máximo muy agudo cuando el ángulo entre la dirección del movimiento y el eje de la sonda pasa por cero. En la presente tesis se desarrolla una teoría de este fenómeno, la cual conduce a una expresión analítica para la corriente eléctrica recogida por la sonda; se obtienen fórmuías sencillas para la altura y semiancliura del máximo de la corriente y resultados gráficos universales para la estructura de dicho máximo. La teoría está en muy buen acuerdo con los datos experimentales existentes.Se muestra cómo puede hacerse uso del efecto en la corriente para medir las variables de estado en los plasmas, y en particular para la medida de la temperatura iónica.

The theory of electrostatic probes in strong magnetic fields : Thesis submitted to the Faculty of The Graduate School of the University of Colorado for the Degree Doctor of Philosophy Department of Aerospace Engineering Science

A theory is developed of an electrostatic probe in a fully-ionized plasma in the presence of a strong magnetic field. The ratio of electron Larmor radius to probe transverse dimension is assumed to be small. Poisson's equation, together with kinetic equations for ions and electrons are considered. An asymptotic perturbation method of multiple scales is used by considering the characteristic lengths appearing in the problem. The leading behavior of the solution is found. The results obtained appear to apply to weaker fields also, agreeing with the solutions known in the limit of no magnetic field. The range of potentials for wich results are presented is limited. The basic effects produced by the field are a depletion of the plasma near the probe and a non-monotonic potential surrounding the probe. The ion saturation current is not changed but changes appear in both the floating potential Vf and the slope of the current-voltage diagram at Vf. The transition region extends beyond the space potential Vs,at wich point the current is largely reduced. The diagram does not have an exponential form in this region as commonly assumed. There exists saturation in electron collection. The extent to which the plasma is disturbed is determined. A cylindrical probe has no solution because of a logarithmic singularity at infinity. Extensions of the theory are considered.

Theory of a Probe in a Strong Magnetic Field. AT(30-1)-1238-MATT 599

A kinetic approach is used to develop a theory of electrostatic probes in a fully ionized plasma in the presence of a magnetic field. A consistent asymptotic expansion is obtained assuming that the electron Larmor radius is small compared to the radius of the probe. The order of magnitude of neglected terms is given. It is found that the electric potential within the tube of force defined by the cross section of the probe decays non-mono tonic ally from the probe; this bump disappears at a certain probe voltage and the theory is valid up to this voltage. The transition region, which extends beyond plasma potential, is not exponential. The possible saturation of the electron current is discussed. Restricted numerical results are given; they seem to be useful for weaker magnetic fields down to the zero-field limit. Extensions of the theory a r e considered.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.