Plasma

Plasma on aine faas sarnaselt vedeliku või gaasiga. Plasma korral on tegemist üldiselt gaasiga, kus osad osakesed on ioniseeritud mis tekitab tihti helendust nagu näiteks leegis, tähtedes, virmalistes, välgus ja hõõglambis. Teise suurema erinevusega on gaas tavaliselt neutraalse laenguga kuid plasma laengute tõttu saab plasmat elektriga ja magnetväljaga liigutada.
Plasmaks ioniseerumist võib põhjustada kõrge temperatuur ning intentsiivne elektriline või magneetiline mõjutamine. 

Kui gaasis mõjutavad osakesed üksteist põhiliselt kokkupõrgetega, siis plasmas mõjuvad osakestele täiendavalt kaugemalt mõjuv elektriline laeng ja magnetväli. Erinevate laengutega osakeste olemasoluga ning nende kaugete elektromagneetiliste mõjutustega võib kaasneda plasmas lainete teke. Paljude laengukandjate olemasolu tõttu on plasma elektrijuhtivus suur.

Üheks plasmas tekkivaks struktuuriks võivad olla magneetilise näpistusega tekkivad nähtavad kiud.

Üheks kergemini plasmat tekitavaks aineks on fluor. Fluor on väga tugev elektronide ligitõmbaja, mis suudab peaaegu kõigi ainetega reageerida ning sellega kaasneb ioniseerumine. See süttib peaaegu kõigi teiste ainetega kokku puutudes välja arvatud osade eelnevalt fluoriga ühinenud molekulidega.
Näited telliskivi ja kana põletamisest fluoriga.

Plasma praktikas (jättes kõrvale elektriliselt mõjutamata tule vms. kasutusalad)

Plasmalõikurid kasutavad elektroodiga ioniseeritud gaasi mille temperatuur võib plasmas olla 10 000-50 000 C kraadi. Elektrood võib selle käigus laguneda umbes tunniga vahetamist vajava seisundini. Kaitsena temperatuuri eest võib kasutada teist gaasivoolu kuid kasutades selleks õhku või hapnikku saab plasmat täiendavalt kuumemaks ajada.

Ioonkiiri võib kasutada ka mikroskoopiliste struktuuride ehitamiseks. Enamasti läheb neid vaja elektroonikas väikeste juppide töötluses. Tavaliselt kasutatakse elektrit galliumi ioniseerimiseks ning selle ioonide kiirega eemaldatakse õhuke kiht väikeselt alalt. Ioonkiirt saab kasutada kuni 3 nm struktuuride nähtavaks tegemiseks. Materjali eemaldusel/lõikamisel on ioonkiire täpsus ~10 nanomeetrit. Seda täpsust kasutatakse vahel materjali elektronmikroskoobi jaoks piisavalt õhukeseks lõikamiseks.

Tavalised põlemist kasutavad raketimootorid kasutavad plasmat maapinnalt lahkumiseks kuid elektriliselt ioniseeritud plasmat kasutatakse kosmoses. Nende võimsus on tavaliselt nõrk ning 1 N piirkonnas (~100 g raskus Maal) mistõttu need ei suudaks mootorit ennastki maapinnast lahti saata kuid orbiidil sobivad need täpseteks liigutusteks ja orbiidi väikseks mõjutamiseks. Erinevalt tavalistest raketimootoritest võivad need töödata väga pikalt (püsivalt aastaid), hapnikku pole vaja ja kütust (ioniseeritav gaas) läheb kaalu arvestades väga vähe. Ioniseerimiseks kuluv elekter luuakse orbiidil tavaliselt päikesepatareidega. Sellised mootorid vajavad kuumakahjustuste vältimiseks vaakumi lähedast rõhku, et mitte suvalisi õhumolekule kuumaks plasmaks muuta.  

NASA 6 kW Hall'i mootor vaakumkambris.

Tavaliselt ioniseerivad sellised mootorid gaasi elektriga positiivseteks ioonideks ning kiirendavad need välja negatiivselt laetud võrega kuigi selline võre kulub kokkupuutel plasmaga vähendades selle kiirendavat mõju (säilivus on kuni mõnikümmned tuhat tundi). Mõnes mootoris on negatiivse võre asemel positiivselt laetud elektroodid, mis koguvad eraldunud elektronid ning tõukavad positiivsed ioonid välja. Kiirenduse kineetiline energia sõltub ioonide massist ja väljumise kiirusest. Osakeste kiirendus sõltub põhiliselt kasutatud pinge erinevustest. Tavaliselt on osakeste kiirused vahemikus 10-80 km/s.
Energiakulud on tavaliselt mõnest kilovatist sadade kilovattideni kuid kiirendav jõud on tavaliselt kuni 5 N (200 kW elektrikuluga VASIMR mootoris).

Klipp VASIMR mootorist.

VASIMR kasutab plasma loomiseks raadiosagedusel EM kiirgust, millega saadakse mitme miljoni kraadine plasma. Plasmajuga hoitakse mootoris koos magentväljaga. Äärmuslikuma temperatuuri tõttu ei püsiks ükski aine sellises keskkonnas tahkena ning seetõttu puuduvad elektroodid. Kõik mootori osad on plasmast eraldatud magnetvälja poolt. Miinusteks on kõrge temperatuur ning intentsiivsed magnetväljad (paar teslat). 2011 oli ühel sellisel mootoril optimaalseks ioonide väljumise kiiruseks 50 km/s.