Новый тип ракетного двигателя, который может доставить человечество на Марс и дальше, был предложен физиком из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США.
Устройство будет применять магнитные поля, чтобы заставить частицы плазмы, электрически заряженного газа, также известного как четвертое состояние материи, вырваться из задней части ракеты и, из-за сохранения количества движения, продвинуть корабль вперед. Современные испытанные в космосе плазменные двигатели используют электрические поля для перемещения частиц.
Новая концепция будет ускорять частицы с помощью магнитного пересоединения, процесса, который наблюдается во всей Вселенной, включая поверхность Солнца, в котором линии магнитного поля сходятся, внезапно разделяются, а затем снова соединяются вместе, производя много энергии. Повторное соединение также происходит внутри устройств слияния в форме пончика, известных как токамаки.
Изобретатель концепции главный физик-исследователь PPPL Фатима Эбрахими, подробно описал свою концепцую в статье опубликованной Journal of Plasma Physics.
У меня возникла идея в 2017 году, когда я сидел на палубе и думал о сходстве между выхлопом автомобиля и высокоскоростными выхлопными частицами, созданными Национальным экспериментом по сферическому тору (NSTX) PPPL, предшественником нынешнего флагманского термоядерного комплекса лаборатории. Во время работы этот токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу.
Термоядерный синтез, сила, которая движет Солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в виде плазмы - горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, составляющих 99% видимой Вселенной, — для генерации огромного количества энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый источник энергии для выработки электричества.
Современные плазменные двигатели, использующие электрические поля для движения частиц, могут производить только небольшой удельный импульс или скорость. Но компьютерное моделирование, выполненное на компьютерах PPPL и в Национальном вычислительном центре энергетических исследований, отделе науки Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать выхлоп со скоростью в сотни километров в секунду. во-вторых, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей. По словам Эбрахими, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.
Есть три основных отличия между концепцией двигателя Ebrahimi и другими устройствами. Во-первых, изменение силы магнитного поля может увеличить или уменьшить тягу. Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости.
Во-вторых, новый двигатель малой тяги производит движение, выбрасывая частицы плазмы и магнитные пузыри, известные как плазмоиды. Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и никакая другая концепция двигателя не включает их.
В-третьих, в отличие от современных концепций двигателей малой тяги, которые полагаются на электрические поля, магнитные поля в концепции Эбрахими позволяют плазме внутри двигателя малой тяги состоять из тяжелых или легких атомов. Эта гибкость позволяет ученым подбирать тягу для конкретной миссии. В то время как другим двигателям требуется тяжелый газ, состоящий из атомов, таких как ксенон, в этой концепции вы можете использовать любой тип газа, который захотите. В некоторых случаях ученые могут предпочесть легкий газ, потому что более мелкие атомы могут двигаться быстрее.
Эта концепция расширяет портфель исследований PPPL в области космических силовых установок. Среди других проектов - эксперимент Hall Thruster, который был начат в 1999 году физиками PPPL Евгением Райцесом и Натаниэлем Фишем для исследования использования частиц плазмы для движения космических кораблей. Райцес и студенты также изучают возможность использования крошечных двигателей Холла, чтобы дать маленьким спутникам, называемым CubeSats, большую маневренность при их вращении вокруг Земли.
Эбрахими подчеркнула, что ее концепция двигателя напрямую связана с ее исследованиями в области термоядерной энергии.
Эта работа была вдохновлена прошлыми работами по термоядерному синтезу, и это первый случай, когда плазмоиды и воссоединение были предложены для космического движения. Следующий шаг - создание прототипа!