Motori al plasma: miti e realtà

Sicuramente tutti saranno d'accordo che lo spazio attrae. E lui è già stato indagato! Questo è solo molto lento. Perché è estremamente difficile creare un veicolo spaziale in grado di superare rapidamente le impressionanti centinaia di migliaia di chilometri di distanza.

L'intero punto è nel carburante! Non è infinito Abbiamo bisogno di unità moderne con un diverso principio di funzionamento e più potenti. Sì, ci sono i motori a razzo nucleare (YARD). Ma il loro limite massimo è di 100 km / s. Inoltre, il loro fluido di lavoro viene riscaldato reattore nucleare.

Ma i motori al plasma - una prospettiva che merita attenzione.

Una breve escursione in fisica

Per cominciare, vale la pena notare che ogni motore a razzo è caratterizzato dall'espulsione dall'ugello di un plasma debolmente ionizzato. Indipendentemente dal suo tipo. Ma i "classici", i veri motori al plasma sono quelli che accelerano il plasma a causa delle forze elettromagnetiche che colpiscono le particelle cariche.

Il processo è complicato. Qualsiasi campo elettrico che acceleri le cariche nel plasma dà agli elettroni e agli ioni uguali impulsi totali di magnitudine. Entrare in questi dettagli è facoltativo. Basta sapere che l'impulso è un valore di misura. movimento meccanico corpo.

Poiché il plasma è elettricamente neutro, la somma di tutte le cariche positive è modulo la somma delle cariche negative. C'è un certo periodo di tempo - è infinitamente piccolo. In questi pochi istanti, tutti gli ioni positivi ricevono un potente slancio. Lo stesso vale nella direzione opposta - al negativo. Qual è il risultato? Lo slancio totale è alla fine zero. Quindi, non c'è trazione.

Tale conclusione: per "l'accelerazione" elettrica del plasma, è necessaria la separazione delle cariche opposte. I positivi accelereranno quando i negativi saranno presi fuori portata. Rendilo difficile, perché Coulomb forza di attrazione ripristinare l'equilibrio elettrico, che si verifica tra i coaguli plasmati in modo opposto.

E come sei riuscito a incarnare questo principio di funzionamento in un motore a razzo al plasma? A causa dei campi magnetici ed elettrostatici. Solo qui, nel secondo caso, l'unità viene tradizionalmente indicata come ionica, e nel primo si chiama plasma.

Concetto degli anni '60

Circa cinquanta anni fa, il fisico sovietico Alexei Ivanovich Morozov propose il concetto di un motore a razzo al plasma. È stato testato con successo negli anni '70.

Ha usato un campo magnetico radiale per separare le famigerate cariche. Si scopre che gli elettroni, cedendo all'influenza della forza di Lorentz, presumibilmente si avvolgono a spirale sulle linee del campo magnetico che "tirano" fuori dal plasma.

Cosa succede quando succede? L'enorme inerzia di ioni passa attraverso un campo magnetico, ottenendo un'accelerazione nella direzione longitudinale del campo elettrico.

Sì, questo schema ha vantaggi rispetto a quello implementato in motori a ioni plasma, tuttavia, c'è un segno meno. Non consente una maggiore spinta, che si riflette nella velocità.

Il percorso verso le stelle è reale?

Molte speranze erano riposte su motori a razzo al plasma. Tuttavia, non importa quanto possano sembrare innovativi, non possono fornire il volo a corpi celesti lontani nel quadro di una singola vita umana.

Per dare all'apparecchio un sufficiente impulso di trazione per questo (e questo è almeno 10.000.000 m / s), è necessario creare un campo magnetico di 10.000 Tesla irreale al momento. Questo è possibile solo con l'aiuto di generatori magnetici esplosivi A.D. Sakharov e altri dispositivi moderni che operano sullo stesso principio.

Ma ancora, questi campi potenti esistono per un intervallo di tempo catastroficamente piccolo, misurato in microsecondi. Per ottenere un risultato migliore, si dovrebbe smaltire l'energia di un'esplosione nucleare con una forza di 10 kt. Per riferimento, le conseguenze di tale "fenomeno" sono espresse in una nuvola di 4 km di diametro con un'altezza di 2 km. Un "fungo" e raggiunge fino a 7 km.

Quindi, con una massa di navi di 100 tonnellate, sarebbe necessario un milione di impulsi del genere. E questo è solo per aumentare la sua velocità a 100 chilometri al secondo! Inoltre, solo a condizione che le tariffe non abbiano bisogno di prendere la strada a bordo. In probabilità, potrebbero essere collocati nello spazio esterno sul sito di accelerazione.

Ma un milione di bombe nucleari? Unreal. Questo è migliaia di tonnellate di plutonio! E per tutto il tempo dell'esistenza delle armi nucleari, sono state prodotte poco più di 300 tonnellate. Quindi un motore a razzo al plasma con un principio di funzionamento basato sulla separazione della carica magnetica non fornirà un percorso per le stelle lontane.

Il motore di Hall

Questa è una variante dell'unità al plasma, per la quale non ci sono restrizioni imposte dalla carica spaziale. La loro assenza fornisce una maggiore densità di trazione. Ciò significa che il motore plasma Hall può aumentare la velocità del veicolo spaziale di parecchie volte, se confrontiamo, ad esempio, con un'unità ionica della stessa dimensione.

Il cuore dell'apparato è l'effetto, scoperto dal fisico americano Edwin Hall nel 1879. Ha dimostrato come la corrente elettrica viene generata in un conduttore con un campo magnetico ed elettrico reciprocamente perpendicolare. E nella direzione in cui sono entrambi perpendicolari.

In poche parole, nell'unità Hall il plasma è formato da una carica tra l'anodo (+) e il catodo (-). L'azione è semplice: una scarica separa gli elettroni dagli atomi neutri.

Va notato che circa 200 satelliti con motori a plasma di Hall sono concentrati in orbite vicine alla terra. Per le astronavi, il suo potere è abbastanza. A proposito, solo una tale unità è stata utilizzata dall'Agenzia spaziale europea per disperdere economicamente SMART-1 - la sua prima stazione automatica per esplorare la Luna.

APPT

Ora puoi parlare di propulsori al plasma pulsati ablativi (AIPD). Sono adatti per l'uso in piccoli veicoli spaziali, che hanno una buona gamma di funzionalità. Per la sua espansione è semplicemente necessario disporre di un'unità di piccole dimensioni altamente efficiente in grado di correggere e mantenere un'orbita. AIPD è un dispositivo promettente con una serie di vantaggi, che includono:

• Prontezza costante per il lavoro.
• Una risorsa impressionante.
• Inerzia minima.
• La capacità di dispensare accuratamente le pulsazioni.
• Nessun effetto collaterale di impulso.
• La dipendenza della spinta sul consumo di energia.

Propulsori al plasma pulsati di questo tipo sono stati studiati in dettaglio. I ricercatori, ovviamente, devono affrontare problemi. In particolare - con il mantenimento del funzionamento a lungo termine dell'unità, un ostacolo per il quale è la carburazione della superficie.

Anche nell'ambito di uno degli studi dedicati allo studio di AIPD-IT, è stato scoperto che questa unità ha una scarica principale sull'uscita del canale. E questa è una caratteristica per i motori di energia molto più impressionante.

Un esempio dell'installazione dell'AIPD è il satellite Earth Observer 1. Ma non può rivendicare il motore della correzione ICA, poiché consuma troppa energia (60 W). Inoltre, ha un basso impulso totale.

Motore fisso

A proposito di questa invenzione, dovremmo dire alcune parole. Il motore al plasma fisso ha una caratteristica speciale sotto forma di bassa potenza e compattezza.

Può essere utilizzato nella tecnologia spaziale come corpo esecutivo di un'installazione electrojet. O nel quadro della ricerca scientifica. Con l'aiuto di questa invenzione è abbastanza realistico modellare i flussi di plasma diretti.

Infatti, un tale motore al plasma è un magnetron ampiamente usato nell'industria. A sua volta, è un dispositivo tecnologico con l'aiuto di cui sottili film di materiale sono depositati su un substrato mediante sputtering catodico di un bersaglio in un plasma. Ma non confondere questo dispositivo con i magnetroni sotto vuoto. Eseguono una funzione completamente diversa: la generazione di oscillazioni a microonde.

Dal 1995, i motori al plasma fissi sono stati coinvolti in sistemi di correzione di una serie di KA geostazionari collegati. Quindi, a partire dal 2003, questi dispositivi iniziarono ad essere utilizzati in satelliti geostazionari stranieri. All'inizio del 2012, 352 motori erano già stati installati su veicoli che erano andati nello spazio.

MPD-thruster

Questo è un altro concetto di aggregato del plasma. Molte speranze per la tecnologia spaziale sono connesse con esso.

Qual è l'idea? Viene creata una carica di plasma tra il catodo e l'anodo, che contribuisce all'induzione di un campo magnetico anulare. La forza di Lorentz entra in azione, con l'aiuto del quale il campo agisce sulle cariche in movimento della corrente, a seguito della quale una certa parte di esse viene deviata nella direzione longitudinale. Di conseguenza, si forma un coagulo di plasma che scade "a destra". È lui che forma la spinta.

Questo motore esegue il lavoro in modalità a impulsi, poiché sono necessarie brevi pause tra le scariche: è così che si accumula la carica sugli elettrodi.

Che cosa è promettente MPD-Thruster? Funziona senza separazione di cariche opposte. Dal momento che si stanno muovendo nella corrente di carica, è vero il contrario. Ciò significa che le forze di Lorentz hanno una direzione identica.

In teoria, questo concetto è una prestazione eccezionale. Può sviluppare una trazione impressionante. Ma ci sono anche sfumature. L '"accelerazione" delle cariche elettriche non è soggetta al campo magnetico. Tutto a causa del fatto che la forza di Lorentz ha un effetto, perpendicolare alla loro velocità. Cioè, non cambia i parametri cinetici. MPD-Thruster cambia solo leggermente la direzione in cui le cariche seguono - in modo che il plasma possa volare fuori longitudinalmente.

Idealmente, la corrente tra il catodo e l'anodo dovrebbe essere più volte più densa. Questo è necessario per creare trazione. E richiede molta energia elettrica. Che, tuttavia, non è inferiore alla potenza del getto di plasma.

Se l'impulso specifico è 1000 chilometri al secondo e la spinta è 100 kg, allora centinaia di megawatt saranno consumati per il consumo. Che generano nello spazio è quasi impossibile. Anche ipotizzando una tale probabilità, una nave con un propulsore MPD, con una massa netta di 100 tonnellate, accelera fino a raggiungere i 10.000 km / s. in soli 317 anni! E questo è al peso di partenza proibitivamente astronomico di 2,2 milioni di tonnellate.

Con tali indicatori, è addirittura impossibile immaginare la portata del gas in un'unità che trasmette cariche di elettroni. E non è necessario fare calcoli per capire: nessun elettrodo è in grado di sopportare carichi chimici e termici così significativi.

Quantum EmDrive Apparatus

Questa è l'invenzione di Roger Schoer dalla Gran Bretagna, sul quale l'intera comunità scientifica internazionale rischiava apertamente di ridere. Perché? Perché il suo motore al plasma a vuoto quantistico era considerato impossibile. Perché il suo principio è contrario alle leggi che sono alla base della fisica!

Ma, come si è scoperto, questo motore dello spazio al plasma sta funzionando, e con molto successo! Questo fatto è stato chiarito durante i test della NASA.

L'unità è semplice nel design. La trazione viene creata dalle oscillazioni del microonde attorno a un contenitore del vuoto. E l'elettricità necessaria per generarli viene estratta dalla luce solare. In termini semplici - il motore non richiede l'uso di carburante ed è in grado di funzionare, se non per sempre, almeno fino al momento del fallimento.

I tester sono rimasti scioccati. Il motore è stato testato dallo scienziato Guido Fett e da un team della NASA Eagleworks, guidato da Harold White, specialista del Centro Spaziale. Lyndon Johnson. Dopo uno studio dettagliato dell'invenzione, è stato pubblicato un articolo in cui i tester hanno assicurato ai lettori che il dispositivo funziona e crea voglie, anche se questa è un'inspiegabile contraddizione con la legge sulla conservazione della quantità di moto.

Eppure, gli scienziati hanno detto che questa unità implica l'interazione con il cosiddetto vuoto quantistico del plasma virtuale.

Il problema della separazione effettiva della carica

Molti fisici affermano pessimisticamente che è irrisolvibile. Ci sono progetti avanzati in cui si stanno sviluppando unità plasma innovative con una capacità di 5 MW e un impulso di 1000 km / s, ma la loro spinta è ancora troppo piccola per superare lunghe distanze.

Gli sviluppatori comprendono questo problema e sono alla ricerca di altri approcci. Uno dei progetti più promettenti ai nostri tempi è VASIMR. Il suo impulso specifico è di 50 km / s. E la spinta è di 6 newton. Questo è solo VASIMR in realtà non è un'unità al plasma. Perché produce plasma ad alta temperatura. Prende l'accelerazione nell'ugello Laval - senza l'uso di elettricità, solo a causa di effetti gas-dinamici. E il plasma accelera nello stesso modo in cui il getto di gas prende velocità all'uscita dal consueto gruppo di razzi.

conclusione

In conclusione, vorrei dire che non un singolo motore al plasma per un veicolo spaziale esistente nel nostro tempo può fornire un razzo anche alle stelle più vicine. Questo vale sia per i dispositivi testati sperimentalmente che per quelli calcolati in modo teorico.

Molti scienziati arrivano a una conclusione pessimista: il divario tra il nostro pianeta e le stelle è fatalmente insormontabile. Anche prima del sistema Alpha Centauri, alcuni componenti dei quali sono visibili ad occhio nudo dalla Terra, la distanza è di 39,9 trilioni di chilometri. Anche su un veicolo spaziale in grado di viaggiare con la velocità della luce superare questa distanza sarebbe di circa 4,2-4,3 anni.

Quindi gli aggregati plasmatici di astronavi sono, piuttosto, dalla sfera della fantascienza. Ma questo non diminuisce il loro significato! Sono usati come orbite di manovra, ausiliarie e correttive dei motori. Pertanto, l'invenzione è pienamente giustificata.

Ma l'unità di impulso nucleare, che utilizza l'energia delle esplosioni, ha un potenziale potenziale di sviluppo. In ogni caso, almeno in teoria, è possibile inviare una sonda automatica al sistema stellare più vicino.