Нова концепція ракетного двигуна використовує механізм сонячних спалахів

Фізик з Принстонської лабораторії фізики плазми Міністерства енергетики США (DOE) запропонував новий тип ракетного двигуна, який міг би доставити людство на Марс і далі.

Фізик Фатіма Ебрагімі перед концепцією художника про термоядерну ракету.(фото:phys.org)

Пристрій застосовує магнітні поля, щоб змусити частинки плазми, електрично зарядженого газу, також відомого як четвертий стан речовини, вистрілити з тильної сторони ракети і, завдяки збереженню імпульсу, висунути корабель вперед. Сучасні перевірені космосом плазмові рушії використовують електричні поля для руху частинок.

• Що дозволяє фізика мандрівникам у часі

• Біля Землі з'явиться другий "Місяць"

Нова концепція дозволить прискорити частинки за допомогою магнітного повторного з’єднання - процесу, що зустрічається у всьому Всесвіті, включаючи поверхню Сонця, в якій лінії магнітного поля сходяться, раптово розділяються, а потім знову з’єднуються, виробляючи багато енергії. Повторне підключення також відбувається всередині пристроїв синтезу у формі пончика, відомих як токамаки.

"Я готувала цю концепцію деякий час", - сказала головний фізик-дослідник PPPL Фатіма Ебрагімі, винахідник концепції та автор статті, яка детально описує цю ідею в "Journal of Plasma Physics". "У мене була ідея в 2017 році, сидячи на палубі і думаючи про подібність вихлопу автомобіля та високошвидкісних частинок вихлопу, створених Національним експериментом кульового тору (NSTX) PPPL", - попередник нинішнього флагманського термоядерного комплексу. "Під час своєї роботи цей токамак виробляє магнітні бульбашки, звані плазмоїдами, які рухаються зі швидкістю близько 20 кілометрів на секунду, що здавалося мені дуже схожим на тягу"

Злиття, сила, яка рухає Сонцем і зірками, поєднує в собі легкі елементи у формі плазми - гарячий, заряджений стан речовини, що складається із вільних електронів та атомних ядер, що становить 99% видимого Всесвіту, - для створення величезної кількості енергії. Вчені прагнуть повторити синтез на Землі практично невичерпним запасом енергії для виробництва електроенергії.

Поточні плазмові рушії, які використовують електричні поля для руху частинок, можуть виробляти лише низький питомий імпульс або швидкість. Але комп'ютерне моделювання, проведене на комп'ютерах PPPL та Національному науково-обчислювальному центрі енергетичних досліджень, Науково-дослідному центрі DOE в Національній лабораторії Лоуренса Берклі в Берклі, Каліфорнія, показало, що нова концепція плазмового рушія може генерувати вихлоп зі швидкістю сотні кілометрів по-друге, в 10 разів швидше, ніж у інших рушіїв.

Ця швидша швидкість на початку подорожі космічного корабля може наблизити зовнішні планети в межах досяжності космонавтів, сказав Ебрахімі. "Подорож на великі відстані триває місяці або роки, оскільки питомий імпульс хімічних ракетних двигунів дуже низький, тому корабель потребує часу, щоб набрати швидкість", - сказала вона. "Але якщо ми створимо рушії на основі магнітного повторного підключення, то ми могли б виконати місії на великі відстані за коротший проміжок часу"

Існує три основні відмінності між концепцією рушія Ебрагімі та іншими пристроями. Перший полягає в тому, що зміна напруженості магнітних полів може збільшити або зменшити величину тяги. "Застосовуючи більше електромагнітів і більше магнітних полів, ви можете фактично повернути ручку для точної настройки швидкості", - сказав Ебрахімі.

По-друге, новий двигун виробляє рух, викидаючи як частинки плазми, так і магнітні бульбашки, відомі як плазмоїди. Плазмоїди додають потужності рушію, і жодна інша концепція двигуна не включає їх.

По-третє, на відміну від сучасних концепцій рушія, які покладаються на електричні поля, магнітні поля в концепції Ебрагімі дозволяють плазмі всередині рушія складатися або з важких, або з легких атомів. Ця гнучкість дозволяє вченим адаптувати величину тяги для конкретної місії. "Хоча іншим двигунам потрібен важкий газ, виготовлений з таких атомів, як ксенон, у цій концепції ви можете використовувати будь-який тип газу, який хочете", - сказав Ебрахімі. У деяких випадках вчені можуть віддати перевагу легкому газу, оскільки менші атоми можуть рухатися швидше.

Ця концепція розширює портфель досліджень космічного руху. Серед інших проектів - експеримент Холла, який розпочали у 1999 р. Фізики PPPL Євген Райтсес та Натаніель Фіш для дослідження використання частинок плазми для рухомих космічних кораблів. Райтсес та студенти також досліджують використання крихітних рушіїв Холла для надання маленьким супутникам, які називаються CubeSats, більшої маневреності, коли вони обертаються навколо Землі.

Ебрахімі підкреслив, що її концепція рушія випливає безпосередньо з її досліджень енергії термоядерного синтезу. "Ця робота була натхненна минулою роботою з синтезу, і це перший випадок, коли плазмоїди та повторне підключення були запропоновані для космічного руху", - сказав Ебрагімі. "Наступним кроком є ​​створення прототипу!"

Джерело 

Відео: Найбожевільніши двигуни