Новая концепция плазменного двигателя может ускорить космические миссии в 10 раз

Фатима Эбрахими, физик из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) разработала плазменный двигатель, который, вероятно, сделает космические путешествия намного быстрее, чем любая другая существующая технология.

Быстрые и эффективные космические путешествия могут подтолкнуть человечество к лучшему будущему. Вдали могут быть планеты, ресурсы и даже формы жизни, которые могут радикально изменить наши знания, понимание и образ жизни. Есть большие шансы, что в случае успеха новый плазменный двигатель от Ebrahimi может изменить динамику космических путешествий.

 

Принцип, лежащий в основе конструкции плазменного двигателя Ebrahimi

Источник: PPPL / Wikimedia Commons

Идея плазменного двигателя Эбрахими зародилась в некоторых предыдущих экспериментах, связанных с термоядерными устройствами в форме пончика, известными как  токамаки , которые проводились исследователями из Принстонской лаборатории физики плазмы.

В 1999 году PPPL в сотрудничестве с Колумбийским университетом, Окриджской национальной лабораторией и Вашингтонским университетом создали Национальный эксперимент со сферическим тором (NSTX), магнитное термоядерное устройство, основанное на концепции токамака. С тех пор устройство было модернизировано, чтобы стать проектом NSTX-U (модернизация) .

Камера токамака. Источник:  S. Li et. al / Wikimedia Commons

Целью NSTX является разработка пути к использованию термоядерной энергии в качестве обильного, безопасного, доступного и экологически безопасного средства производства электроэнергии. В устройстве NSTX используется новая сферическая структура в форме тора для создания магнитного поля, которое используется для удержания горячего ионизированного газа, называемого плазмой, необходимого для реакции термоядерного синтеза.

Будущие термоядерные электростанции будут использовать плазму, состоящую из смеси дейтерия и трития, которая будет подвергаться термоядерным реакциям с образованием гелия с большим выделением энергии. Для этого необходимо поддерживать достаточную температуру и давление в плазме, в то время как сформированное магнитное поле обеспечивает изоляцию.

Теоретически сферическая форма тора позволит поддерживать давление плазмы, необходимое для самоподдерживающегося синтеза, при более низкой напряженности магнитного поля. Поскольку стоимость термоядерной электростанции будет увеличиваться с увеличением силы ее магнитного поля, более низкая напряженность магнитного поля для удержания плазмы может привести к созданию экономичных термоядерных электростанций.

Фатима Эбрахими Источник: Теория PPPL

В интервью Эбрахими рассказала, что она наблюдала сходство между выхлопом автомобиля и высокоскоростными частицами выхлопа, произведенными в рамках Национального эксперимента PPPL со сферическим тором, и поняла, что при работе токамак может создавать плазменные пузыри (плазмоиды), которые перемещаются с удивительной скоростью скорость около 44730 миль в час (20 км / сек).

Это открытие привело Эбрахими к разработке  новой конструкции плазменного двигателя, в котором энергия магнитного поля используется для создания большой тяги.  Позже она подробно опубликовала эту  концепцию в Journal of Plasma Physics .

 

Различия между существующей технологией космических путешествий и разработкой Эбрахими

Источник:  Хавьер Мендоса / pexels

Есть несколько отличий между концепцией Эбрахими и другими предложениями. Во-первых, конструкция позволяет увеличивать или уменьшать скорость за счет изменения силы магнитных полей. Современные плазменные двигатели, использующие электрические поля, могут производить только малые удельные импульсы или скорости.

Новый двигатель малой тяги будет использовать выброс как частиц плазмы, так и плазмоидов для создания движения. Концепция Эбрахими уникальна тем, что включает в себя плазмоиды, которые увеличивают мощность движителя.

Кроме того, в то время как  современные концепции двигателей малой тяги полагаются на электрические поля и тяжелые газы, состоящие из таких атомов, как ксенон, магнитные поля в концепции Эбрахими позволили бы плазме внутри двигателя малой тяги состоять практически из любого типа газа. Это создаст большую гибкость и позволит больше варьировать величину тяги.

В настоящее время космическое путешествие даже к ближайшей планете Марс займет около семи месяцев. Современные ракетные двигатели генерируют низкий удельный импульс, что приводит к низкой скорости истечения, поэтому современным космическим кораблям требуется время, чтобы разогнаться.

Плазмоидный двигатель Эбрахими будет более эффективным, чем современные концепции, отчасти из-за  использования электромагнитов для регулировки тяги . Конструкция позволит астронавтам увеличивать или уменьшать скорость своей ракеты по мере необходимости.

Компьютерное моделирование конструкции плазменного двигателя Ebrahimi показало, что он может обеспечить скорость истечения в 10 раз выше, чем двигатели, используемые в настоящее время. По той же причине этот магнитно-плазменный двигатель теперь рассматривается как эффективное средство отправки людей на Марс .

 

Ожидаемые последствия более быстрой технологии космических путешествий

Более быстрые космические путешествия не только позволят нам посетить более далекие звезды и галактики, но также, вероятно, предоставят нам больше научных знаний, ресурсов и, возможно, даже экономического развития. Есть много способов, которыми он может повлиять на человечество:

Эффективная технология плазменного двигателя, подобная предложенной физиком Министерства энергетики США, может значительно снизить стоимость космических полетов, потому что с более быстрыми ракетными двигателями космические полеты будут короче. Стоимость топлива, логистики и т. Д. Резко снизится из-за сокращения времени в пути. Следовательно, космические и межпланетные перевозки могут стать более возможными, чем когда-либо прежде.

Уменьшение времени полета уменьшает количество раз, когда астронавты будут подвергаться опасному космическому излучению, которое проникает в любой космический корабль. Таким образом, плазменный двигатель, который предлагает большую скорость, может снизить различные риски для здоровья, связанные с программами пилотируемых космических полетов, и, в конечном итоге, он также будет стимулировать космические агентства к проведению большего количества космических миссий с пассажирами-людьми на борту.

Более быстрое освоение космоса могло бы дать толчок человечеству в поисках инопланетной жизни , за короткий промежуток времени можно было бы запустить больше космических программ для исследования планет внутри и, возможно, даже за пределами нашей галактики.

Единственная зависимость Земли от ресурсов может исчезнуть с появлением более быстрых технологий космических путешествий. Благодаря возможным и быстрым межпланетным путешествиям ученые смогут изучать и экспериментировать со всеми видами материи, доступными им из разных частей Вселенной.
Космические путешествия могут также способствовать  развитию технологий и исследований. Более быстрая и более осуществимая технология космических путешествий может привести к появлению новых секторов и вскоре превратить гипотетические концепции, такие как космическая  добыча, в реальность.

Хотя в технологии космических путешествий еще предстоит много новых разработок, д-р Эбрахими с оптимизмом смотрит на конструкцию своего реконнекторного плазмоидного двигателя, и она надеется, что скоро будет готов первый прототип.

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК