38587
4
Ученый из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Фатима Ибрахим предложила новую концепцию ракетного двигателя для межпланетных перелетов, который способен доставить людей на Марс и другие планеты быстрее, чем существующие разработки.
Существующие прототипы плазменных двигателей используют электрическое поле, и удельный импульс у них очень низкий. Предложенная концепция двигателя основана на так называемом эффекте магнитного пересоединения и непрерывной генерации плазмоидов - сгустков плазмы, поддерживаемых замкнутым магнитным полем.
Для движения космических аппаратов предлагается использовать энергию, которая высвобождается во время процессов изменения топологии магнитных силовых линий в высокотемпературной плазме. Плазмоиды, созданные благодаря пересоединению линий магнитного поля, будут ускоряться в двигателе до больших скоростей, что сделает двигатель в несколько раз быстрее по сравнению с существующими. Ученые предполагают, что скорость выхлопа будет достигать 20-500 км/с.
Для движения космических аппаратов предлагается использовать энергию, которая высвобождается во время процессов изменения топологии магнитных силовых линий в высокотемпературной плазме. Плазмоиды, созданные благодаря пересоединению линий магнитного поля, будут ускоряться в двигателе до больших скоростей, что сделает двигатель в несколько раз быстрее по сравнению с существующими. Ученые предполагают, что скорость выхлопа будет достигать 20-500 км/с.
По словам доктора Фатимы Ибрахим, на идею ее натолкнули прошлые работы по термоядерному синтезу, в частности, работа с токамаком в рамках Национального эксперимента со сферическим тором в PPPL. "Это первый случай, когда плазмоиды и пересоединение были предложены для движения в космосе, - сообщила она.
"Я уже давно готовлю эту концепцию, - сказала Ибрахим. - Идея возникла у меня еще в 2017 году. Во время работы токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу".
"Я уже давно готовлю эту концепцию, - сказала Ибрахим. - Идея возникла у меня еще в 2017 году. Во время работы токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу".
Устройство использует магнитные поля, чтобы стрелять частицами плазмы из задней части ракеты и перемещать корабль в космос. На рисунке выше изображена концепция двигателя малой тяги, которая показывает, что частицы плазмы перемещаются в результате магнитного пересоединения.
Плазма - это горячее заряженное состояние вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99 процентов видимой Вселенной и способно генерировать огромное количество энергии.
Ученые круглосуточно работали над воспроизведением термоядерного синтеза в лаборатории в надежде использовать его силу для производства электроэнергии для ракет, летящих в глубоком космосе. 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, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.
По словам Фатимы Ибрахим, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.
"Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость, - сказала она. - Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени".
Плазма - это горячее заряженное состояние вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99 процентов видимой Вселенной и способно генерировать огромное количество энергии.
Ученые круглосуточно работали над воспроизведением термоядерного синтеза в лаборатории в надежде использовать его силу для производства электроэнергии для ракет, летящих в глубоком космосе. 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, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.
По словам Фатимы Ибрахим, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.
"Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость, - сказала она. - Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени".
Хотя использование термоядерного синтеза для приведения в действие ракет не является новой концепцией, двигатель Ибрахим отличается от ведущих устройств по трем параметрам.
Во-первых, изменение силы магнитных полей может увеличивать или уменьшать силу тяги, что позволяет лучше маневрировать в космосе. "Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости", - объяснила Ибрахим.
Во-вторых, новый двигатель малой тяги производит движение, выбрасывая частицы плазмы и магнитные пузыри, известные как плазмоиды. Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и до сих пор не использовались ни в одной концепции ракетного двигателя.
И третье - эта концепция использует для выстрела частиц плазмы из задней части ракеты не электрические поля, а магнитные. Это может изменить правила игры, поскольку позволит ученым подбирать тягу для конкретной миссии.
Во-первых, изменение силы магнитных полей может увеличивать или уменьшать силу тяги, что позволяет лучше маневрировать в космосе. "Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости", - объяснила Ибрахим.
Во-вторых, новый двигатель малой тяги производит движение, выбрасывая частицы плазмы и магнитные пузыри, известные как плазмоиды. Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и до сих пор не использовались ни в одной концепции ракетного двигателя.
И третье - эта концепция использует для выстрела частиц плазмы из задней части ракеты не электрические поля, а магнитные. Это может изменить правила игры, поскольку позволит ученым подбирать тягу для конкретной миссии.
Источник: — переведено специально для fishki.net
Ссылки по теме:
- У российских космонавтов заканчивается еда, но американские коллеги их выручили
- Зачем подростки становятся готами?
- Почему у земли есть мощное магнитное поле, а у марса, венеры и меркурия нет?
- Зубы мамонтов как произведение искусства
- Как выглядела первая общеевропейская валюта
Метки: ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ исследование космос магнитное поле плазма разработка ракетный двигатель физика
реклама
Допустим мы выбрасываем назад 1кг в секунду со скоростью 20км/с при идеальных условиях и кпд 100% для этого потребуется 200 мегаватт (четверть энергоблока ядерной электростанции). При этом ускорение корабля весом 100 тонн будет 0.2 м/c. Т.е. для ускорения на хотя бы 2 км/c потребуется всего лишь 3 часа.
Если же скорость истекания струи - 200км/с то потребуется уже 20 гигаватт, в то время как ускорение станет только в 10 раз быстрее.
Ограничение ионных двигателей не в массе выбрасываемого рабочего тела, а в потребляемой мощности. Мощность всех солнечных батарей МКС - 110 кВт, вес станции - 400тонн.
Т.е. даже если 100тонный аппарат обвешать 100кВт батареями то - можно будет выбрасыать только 0.5г в секунду со скоростью в 20км/с и ускорение станет также в 2000 медленней и для дельты скорости в 2км/с потребуется уже не 3 часа а 12 000часов или полтора года.
Чтобы разгоняться хотя бы пол года нужно будет 300кВт и учитывая кпд в хотя бы 25% - 1.2МВт.
Скорость реактивной струи химических двигателей -3-4км/с и значительно меньше геммороя. Другой вопрос что надо накидать на орбиту достаточно топлива и заправиться уже там. Но это задача относительно простая и уже решенная.
Вот на мой взгляд эта статейка из той же серии. Чисто моё мнение.
Всея это идея со звезными войнами и полетами на Луну произвели колоссальный взрыв пердака и СССР кинулась догонять и обгонять США, но надорвала пупок.
@Модератор Fishki.net
Напоминаю - на этом принципе построены "плазменные реакторы" токамаки (ТОК удерживаемый МАГнитным полем). И ни один токамак пока не работает. Недостает мощности магнитного поля для вывода установки в положительный расход. Словом - пока технологически "никак".
Для примера - химические ракетные двигатели имеют две наиболее эффективные пары "топливо - окислитель". Это водород+кислород и еще более эффективная фтор+водород. Но большинство ракет летает на керосине. На водороде летают, но с проблемами ибо очень высокая температура горения плюс сложности с хранением жидкого водорода. А вот фторо-водородный двигатель хоть и самый эффективный НО не летает совсем. Нет таких металлов чтоб выдержать ярость фтороводородного пламени не упоминая про кислотность и ядовитость. Словом - на самой энергичной топливной паре - не летают.
Вот и с плазмой так. Энергии на создание плазмоида уходит море, самоподдерживающейся эту реакцию нам пока технологии сделать не позволяют.
Кстати - если ту энергию, которая нужна для зажигания плазмы пустить в электролизер (получая из воды кислород и водород) выйдет даже больше тяги, чем от плазмоида. Так что ракета с небольшим атомным реактором вырабатывающим электричество и разлагающие воду из топливных баков на водород и кислород сжигаемый в обычных ракетных движках - существенно реальнее всех этих фантазий.
Остается делать большой бублик (все больше и больше) но там проблема в равномерности длинной плазменной нитки - плазма стихия непокорная, взбрыкивает и вспухает. При этом плазменный жгут рвется, и термоядерная реакция в лучшем случае затихает, а в худшем микровзрывом разносит часть бублика. И пока никто не придумал как заставить плазму вести себя "тихо" на всем протяжении шнура. Пока шнур короткий - еще можно что-то делать, но чем он длиннее тем больше проблем. Вот и ищут "гармонию" между большим бубликом с неустойчивым плазменным шнуром и маленьким бубликом с недостаточной напряженностью магнитного поля и прочностью конструкции. Некоторые "подвижки" есть - но пока энергии бублик жрет гораздо больше, чем вырабатывает и при этом быстро изнашивается физически (обмотки рвутся, конструкции деформируются изменяя проектные величины и т.д.). Не упоминаю, сколько все это стоит. Космические программы, включая Лунные, стоили кратно дешевле.
2. Смысл идеи "плеваться плазмой из Токамака" (сильно сомневаюсь, что эту идею придумала сия шахидка) в том, что скорость "выхлопа" на порядок (или порядки) может превышать таковую для любых химических двигателей.
А вообще, на нынешнем технологическом уровне -это бред еще более бредовый, чем использовать отражающий парус, в который будет стрелять сверхмощный лазер с Земли.
Фигасе, единственный! Да их триллионы и триллионы вокруг! :)
Пока все это делается, корабль на обычных движках уже раз 40 слетает туда-обратно.
Ну да, ничего - лучше день потерять, зато потом за 5 минут долететь! (с)
И эта ученная очередной раз доказала справедливость утверждения: либо умная, либо красивая.