Предложена новая концепция термоядерного ракетного двигателя

Новый тип ракетного двигателя, который может доставить человечество на Марс и дальше, был предложен физиком из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).

Устройство будет применять магнитные поля, чтобы заставить частицы плазмы, электрически заряженного газа, также известного как четвертое состояние материи, вылететь 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 термоядерных устройств, известных как токамаки.

«Я готовлю эту концепцию некоторое время», — сказала главный физик-исследователь PPPL Фатима Эбрахими, изобретатель концепции и автор статьи, подробно описывающей эту идею, в Journal of Plasma Physics.

«У меня возникла идея в 2017 году, когда я размышляла о сходстве между выхлопом автомобиля и высокоскоростными выхлопными частицами, созданными Национальным экспериментом со сферическим тором (NSTX) PPPL», предшественником нынешнего флагманского термоядерного комплекса лаборатории.

«Во время работы этот токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами (ограниченная плазма в замкнутых магнитных петлях), которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу».

Термоядерный синтез, сила, приводящая в движение солнце и звезды, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния материи, 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 показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать выхлоп со скоростью в сотни километров в секунду, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.

Более высокая скорость полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для людей. «Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень низок, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость», — сказала Фатима Эбрахими. «Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то, возможно, мы сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени».

Есть три основных отличия между концепцией нового двигателя 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», — сказала Эбрахими. 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. Они 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 раз, когда плазмоиды и пересоединение были предложены для космического движения. Следующий шаг — создание прототипа!»

Fatima Ebrahimi, An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster, Journal of Plasma Physics (2020). DOI: 10.1017/S0022377820001476