3DNews Технологии и рынок IT. Новости на острие науки В России изобрели облегчённый электрорак… Самое интересное в обзорах 03.03.2022 [16:18], Геннадий Детинич По сообщению источников, специалисты Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С. П. Королёва, которая входит в состав Госкорпорации «Роскосмос», получили патент на уникальную конструкцию магнитоплазменного электроракетного двигателя. Такие двигатели перспективно использовать для полётов как вблизи Земли, так и на дальних маршрутах. Работа ионных двигателей. Источник изображения: scmp.com В отличие от ракет на химическом топливе электроракетные двигатели могут работать годами без остановки, питаясь только электрической энергией. Изобретение специалистов РКК «Энергия» позволяет существенно снизить массу одной из разновидностей электроракетного двигателя — магнитоплазменного безэлектродного двигателя с циклотронным ускорением плазмы в осевом магнитном поле. Другое название такого двигателя — геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД). Геликоном называют низкочастотные электромагнитные волны в плазме во внешнем постоянном магнитном поле. Магнитная система двигателя создаёт мощное магнитное поле, через которое проходит рабочее тело (это могут быть газы, включая азот, который можно найти даже в космосе) и превращается генерируемыми геликоновыми волнами в плазму с созданием тяги. Отсутствие погружённых в плазму электродов, как у ионных и других электроракетных двигателей, означает едва ли не бесконечный рабочий ресурс геликонных двигателей. Добавим, в 2016 году в России начали разрабатывать мощный геликонный ракетный двигатель мощностью 100 кВт. Проект разрабатывается Курчатовским институтом и близок к завершению. Также электроракетными двигателями занялись самарские учёные в новом двухлетнем проекте. Есть и другие проекты, подчёркивающие радужные перспективы электрических РД, включая спектр новых иностранных разработок в этом направлении. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews. Рубрики: Теги: ← В |
И если современные ракеты и космические аппараты вместо полезной нагрузки несут до 90 % топлива на борту, то электроракетные двигатели оставляют намного больше свободного объёма для научной и другой аппаратуры.
Также у них минимизировано разрушение стенок рабочей камеры и нет движущихся частей. Российские специалисты изобрели новую конструкцию магнитной системы, совмещённую с системой подачи рабочего тела, что позволяет значительно уменьшить массу геликонного ракетного двигателя, а высвободившуюся массу в ракете всегда можно конвертировать в полезную нагрузку.
ru/1061291/rossiyskie-ingeneri-izobreli-oblegchyonniy-elektroraketniy-dvigatel-dlya-polyotov-v-blignem-i-dalnem-kosmoseИзмеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя / Хабр
В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.
Кому он нужен, этот геликонный двигатель
Что такое геликонный двигатель.
Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.
ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.
Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.
Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.
к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.
Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.
Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»
На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.
е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.
Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.
Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.
Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.
Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.
Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.
Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.
Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.
В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге».
Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).
Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы
Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.
Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.
Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.
Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».
Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.
Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.
Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.
Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года.
Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.
Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.
Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей.
Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.
Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png
Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.
Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России
Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга.
У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.
Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg
Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.
Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.
Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.
Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.
Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.
Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»
Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 1013см-3. Именно такая плотность характерна для геликонных источников.
Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.
Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом.
Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.
Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.
Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»
Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре.
К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).
Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).
Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:
Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»
Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте.
Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.
Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.
Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.
The road ahead или планы на будущее
Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.
«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».
Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий.
Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.
Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 1013см-3.
Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?
Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.
Плазменный ракетный двигатель
компании Ad Astra установил рекорд продолжительности и времени работы при большой мощности – SatNews двигатель — при этом фирма еще больше продвинулась в технологии мощных и экономичных электрических ракет.
Электрические ракеты мощностью более 50 кВт на двигатель считаются « большой мощности ». В среду, 30 июня, основываясь на серии более ранних испытаний в этом году с увеличением продолжительности и мощности, компания завершила рекордные испытания двигателя, работающего на уровне мощности 82,5 кВт в течение 28 часов, что намного дольше, чем любой другой стрельба большой мощности на сегодняшний день. Испытания продолжаются в исследовательском центре компании в Техасе недалеко от Хьюстона.
По данным фирмы, двигатель VASIMR® уникален тем, что он сохраняет высокую мощность химической ракеты, но с 10-кратной эффективностью использования топлива. Таким образом, он является основным кандидатом для множества приложений, начиная от грузовых коммерческих грузов с высокой полезной нагрузкой на солнечных батареях и миссий по пополнению запасов в окололунном пространстве до быстрых ядерно-электрических пилотируемых миссий на Марс и за его пределы.
Ad Astra неуклонно приближается к отметке в 100 кВт/100 часов, установленной НАСА, не отвлекаясь от основной цели компании: демонстрации теплового установившегося режима работы двигателя на высокой мощности.
Это условие требует, чтобы все температуры критических компонентов двигателя успешно контролировались системой управления тепловым режимом двигателя.
Значительные успехи в разработке этой системы были достигнуты в ходе экспериментальных кампаний продолжительностью от нескольких дней до недель, за каждой из которых следовал период проверки, разборки и усовершенствования. Это быстрое прототипирование является основой подхода Ad Astra к быстрому совершенствованию технологии VASIMR® и предоставлению конкурентоспособного варианта мощного электрического двигателя как для государственных, так и для частных клиентов.
Управление температурным режимом двигателя VASIMR® представляет собой уникальную задачу, поскольку необходимо тщательно контролировать температуру от миллионов градусов в плазменном ядре ракеты до почти абсолютного нуля в сверхпроводящем магните, расположенном на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Это, конечно, в условиях вакуума, где должен работать двигатель.
“ Мы очень гордимся командой Ad Astra. Их техническое совершенство, упорство и самоотверженность отражены в этом достижении. Никакая другая электрическая плазменная ракета с такими уровнями мощности и технологической готовности не достигла такого сочетания мощности и выносливости, как у двигателя VASIMR®, достигнутого на сегодняшний день, », — сказал Франклин Р. Чанг Диас , председатель и главный исполнительный директор Ad Astra, а также награжденный бывший астронавт НАСА. « Мы могли бы легко побить 28-часовой рекорд, но решили остановить наш тест, чтобы дать команде столь необходимый отдых и возможность отпраздновать праздник 4 июля ».
« Благодаря сочетанию инноваций и решимости наша небольшая команда разработала уникальные инженерные и производственные возможности для стационарного двигателя VASIMR®, которые сделали возможным недавний успех », — сказал доктор Мэтью Джамбуссо , Ad Astra. Старший научный сотрудник и руководитель экспериментальных операций.
« Нам предстоит еще много работы, чтобы достичь проектной мощности 100 кВт, но за последние несколько недель мы продемонстрировали значительный прогресс ».
VASIMR® — это аббревиатура от магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом. Двигатель работает с плазмой, электрически заряженным газом, нагретым до экстремальных температур радиочастотными (РЧ) волнами, и управляется и направляется сильными магнитными полями, которые также обеспечивают изоляцию. Плазменные ракеты, такие как VASIMR®, имеют чрезвычайно низкий расход топлива и гораздо более высокую мощность и/или производительность по сравнению с другими электрическими или химическими ракетами. VASIMR® предлагает экономические и эксплуатационные преимущества при развертывании спутников, повторной стимуляции, восстановлении и утилизации по окончании срока службы. С надлежащим ядерно-электрическим источником энергии VASIMR® может обеспечить гораздо более быструю и безопасную транспортировку людей и роботов в дальнем космосе, где солнечной энергии недостаточно.
Плазменный двигатель может значительно сократить время полета к внешней Солнечной системе. В отличие от большинства других моих научно-фантастических произведений, повествование «Пространства» (пока что) в основном сосредоточено в нашей собственной Солнечной системе. В «Звездном пути» корабли летают по галактике со скоростью, превышающей скорость света, упоминая о многих световых годах (или парсеках *кашель* «Звездных войн»), не говоря уже о субсветовых путешествиях внутри самих солнечных систем. Расстояния между звездами огромны. Но для современных земных технологий сама наша Солнечная система по-прежнему огромна. Чтобы куда-то добраться, нужны годы.
В «Пространстве» корабли используют вымышленный досветовой двигатель под названием «Драйв Эпштейна», чтобы быстро перемещаться по Солнечной системе со скоростью, составляющей доли скорости света. Мы еще почти не достигли этого, но мы приближаемся к этому с анонсом нового теоретического досветового двигателя. Это не будет двигатель Эпштейна, но он может стать известен как двигатель Эбрахими — двигатель, вдохновленный термоядерными реакторами и невероятной мощностью солнечных выбросов корональной массы.
Fatima Ebrahimi в своем кабинете c, Elle Starkman
Flip and Burn
Ракетные двигатели были основой космических исследований, доставляющих людей на Луну, марсоходы на Марс и отправляющих зонды за пределы Солнечной системы. Однако, несмотря на всю их взрывную мощь, они по своей природе неэффективны и громоздки. Вы можете получить столько энергии только из ракетного топлива. В результате большая часть всего вашего космического корабля представляет собой гигантский топливный бак. Масса ракеты, предназначенной для Марса, может составлять до 78% топлива. Для снижения веса нужны более эффективные двигатели.
Измерение КПД двигателя называется «удельным импульсом» и выражается как количество секунд, в течение которых данная масса топлива может ускоряться в условиях земного притяжения. Например, если у меня есть фунт топлива, сколько секунд этот фунт топлива может разогнаться, прежде чем он будет исчерпан? Чем больше секунд сгорает топливо, тем эффективнее ваш двигатель.
Удельный импульс также может быть выражен как скорость выхлопной тяги двигателя (вещества, вылетающего из его задней части) относительно самой ракеты. Одним из самых эффективных когда-либо созданных ракетных двигателей является РС-25 — основной двигатель космического корабля «Шаттл», который имел удельный импульс 453 секунды и скорость истечения 4,4 км/с — что кажется довольно быстрым!
Три главных двигателя RS-25 на борту космического корабля «Атлантис» — ок. НАСА
Выше Быстрее
Если мы хотим раздвинуть границы пилотируемого освоения космоса, нам нужно превзойти даже самые эффективные ракетные двигатели. Следующее поколение космических двигателей появилось в виде ионных двигателей. Ионные двигатели используют электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц — ионов, которые затем выбрасываются из космического корабля, ускоряя вас в нужном направлении. Как сказал Ньютон, равные и противоположные реакции. Если вы стреляете в одну сторону, вы идете в другую. Это не обязательно должно быть ракетное топливо, это могут быть просто ионизированные газы.
Двигатель на эффекте Холла — это конструкция ионного двигателя, успешно развернутая на космических кораблях, в том числе на текущих спутниках SpaceX Starlink. В отличие от ракет, двигатели Холла могут развивать скорость истечения от 10 до 80 км/с и удельный импульс от 1000 до 8000 секунд. Однако, несмотря на огромный скачок в эффективности, эти двигатели работают в небольших масштабах, создавая небольшую общую тягу всего в несколько ньютонов силы (ньютон — это сила, необходимая для ускорения 1 кг со скоростью один метр в секунду каждую секунду). Таким образом, ионные двигатели идеально подходят для небольших роботизированных космических кораблей и спутников, но для более крупных полезных нагрузок требуется другая конструкция.
Двигатель Холла в работе в Лаборатории реактивного движения НАСА – ок. НАСА/Лаборатория реактивного движения
Видео Universe Today о функционировании и работе ионных двигателей – Fraser CainMass Ejection
Здесь в игру вступает новый двигатель – не ионный двигатель, а плазменный двигатель – конструкция Фатимы Эбрахими.
Плазменный двигатель имеет сходные характеристики с ионным двигателем в том смысле, что он также использует электрические поля и заряженные частицы. Газы электрически заряженных частиц, также известные как плазма, считаются четвертым состоянием вещества. Горячая плазма составляет 99% видимой Вселенной состоит из звезд, подобных Солнцу, которое само по себе является гигантским шаром плазмы. Во время драматических вспышек, называемых выбросами корональной массы (КВМ), Солнце иногда выбрасывает в космос миллиарды тонн этой плазмы.
Физический механизм, катализирующий КВМ, называется магнитным пересоединением. На поверхности Солнца плазма часто направляется вдоль магнитных полей, создавая огромные петли или «протуберанцы», в несколько раз превышающие размеры Земли.
Линии поля скручиваются и напрягаются под действием магнитной энергии, пока не порвутся, как резиновая лента, и снова не соединятся с другими линиями поля. Воссоединение преобразует магнитную энергию в кинетическую энергию и тепло и значительно ускоряет выброс огромных количеств плазмы в космос со скоростью сотен или даже тысяч километров в секунду.
Эбрахими создает подобные магнитные пересоединения, которые мы наблюдаем в короне Солнца. Вместо постоянного потока ускоренных частиц, как в ионном двигателе, думайте об этой конструкции как о мини-CME, которые срабатывают каждые несколько миллисекунд, создавая отдельные пузырьки плазмы, называемые «плазмоидами».
Эти плазмоиды истощаются, чтобы создать тягу. Смоделированный двигатель Ebrahimi достиг удельного импульса 50 000 секунд при скорости выхлопа до 500 км/с! Гораздо более высокая эффективность, чем у современных конструкций ионных двигателей. Создаваемая сила также намного выше, чем у ионных двигателей — до 100 ньютонов.
Еще одно огромное преимущество плазменного двигателя — он может работать практически на любом газе. Ионные двигатели, такие как двигатель Холла, запускаются с ограниченным запасом газа, такого как ксенон, который ионизируется для создания тяги. Процесс магнитного пересоединения плазменного двигателя более важен для общей тяги, чем тип или масса газа, используемого для генерации плазмоидов. Таким образом, ваш космический корабль может буквально дозаправиться в космосе, используя газы, найденные в камнях и астероидах, а затем продолжить свое путешествие.
«Для исследования Солнечной системы за пределами Луны и Марса необходим электромагнитный двигатель большой тяги длительностью в десятки тысяч секунд»
— Фатима Эбрахими
Звезды в бутылках
Концепция плазменного двигателя Эбрахими была вдохновлена ее работой в качестве директора физик-исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).
во время наблюдения за плазмоидами в термоядерном реакторе PPPL National Spherical Torus Experiment (NSTX). В настоящее время все энергетические ядерные реакторы на Земле представляют собой реакторы деления, которые расщепляют атомы тяжелых элементов, таких как уран, для высвобождения энергии. Термоядерные реакторы работают наоборот — сплавляют более легкие элементы вместе, воспроизводя ядерные ядра звезд. У термоядерной энергии есть определенные преимущества перед делением. Реакторы деления создают радиоактивные ядерные отходы в виде отработавших топливных стержней, которые необходимо безопасно хранить в течение тысяч лет, а само урановое топливо необходимо добывать.
NSTX Камера «Торус» и потолок «зонтик», где плазма будет магнитно удерживаться во время реакции
– c. Элли Старкман/PPPL Communications
Термоядерные реакторы могут работать в основном на водороде, высвобождаемом из воды — почти неиссякаемого источника топлива — и не производят отходов, которые необходимо закапывать.
Проблемой для конструкций термоядерных реакторов является сдерживание перегретой плазмы. Плазма в термоядерном реакторе может достигать сотен миллионов градусов, и требуется энергия для нагрева плазмы и создания мощных магнитных полей для сдерживания реакции. Положительные реакции чистой энергии были редки. Такие реакторы, как NSTX, создают высокоскоростные плазмоиды посредством магнитного пересоединения, которые, по наблюдениям Эбрахими, перемещались внутри реактора со скоростью более 20 км/с. Она обдумывала, как плазмоиды можно использовать в конструкции космического двигателя, что привело к ее исследованиям.
NSTX разработала компоненты и научные данные для ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), крупнейшего в мире термоядерного реактора, который в настоящее время строится во Франции. В сотрудничестве 35 стран ИТЭР является одним из самых сложных инженерных проектов, когда-либо предпринятых. Задачей реактора является создание устойчивой реакции мощностью 500 МВт (достаточно для питания города) из входной мощности в 50 МВт к 2035 году.