Nowy napęd plazmowy pozwoli wybrać się do zewnętrznych planet Układu Słonecznego?
Fatima Ebrahimi, fizyk z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) jest autorką nowej koncepcji napędu rakietowego, dzięki któremu astronauci mogli by dotrzeć do zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Jej pomysł polega na przyspieszaniu cząstek plazmy za pomocą pola magnetycznego i wykorzystaniu ich do napędzania pojazdu kosmicznego.
Wpadłam na ten pomysł w 2017 roku, gdy siedziałam przy biurku i myślałam o podobieństwach pomiędzy gazami wydobywającymi się z rury wydechowej samochodu, a szybko poruszającymi się cząstkami generowanymi w National Spherical Torus Experiment (NSTX). Podczas pracy tokamak ten generuje magnetyczne bąble, zwane plazmoidami, które poruszają się z prędkością około 20 km/s. Dla mnie wyglądało to na odrzut, mówi uczona.
Obecnie opracowywane silniki plazmowe wykorzystują pole elektryczne do przyspieszania cząstek. Są one w stanie wygenerować niski impuls specyficzny, czyli cząstki o niedużej prędkości. Obliczenia i symulacje komputerowe wykonane w National Energy Research Scientific Computing Center wykazały, że napędy plazmowe opisane przez Ebrahimi mogą wyrzucać gazy z prędkością setek kilometrów na sekundę. To 10-krotnie szybciej niż obecnie stosowane napędy.
A im większą prędkość osiągniemy na początku podróży, tym szybciej dotrzemy do celu. Długodystansowe podróże kosmiczne mogą trwać miesiącami lub latami, gdyż impuls specyficznych rakiet o napędzie chemicznym jest bardzo niski, przez co pojazd wolno się rozpędza, mówi Ebrahimi. Jeśli jednak wykorzystamy napędy wykorzystujące zjawisko rekoneksji magnetycznej, będziemy w stanie pokonywać większe odległości w krótszym czasie.
Koncepcja Ebrahimi różni się od podobnych pomysłów trzema zasadniczymi elementami. Po pierwsze proponuje ona używanie większej liczby magnesów i zmiany siły pól magnetycznych, co pozwoli na precyzyjne dopasowywanie prędkości. Po drugie, jej napęd wykorzystuje zarówno cząstki plazmy jak i magnetyczne bąble, plazmoidy. Żaden inny podobny koncept nie postuluje ich wykorzystania. Po trzecie zaś, w przeciwieństwie do silników plazmowych wykorzystujących pole magnetyczne, silnik Ebrahimi pozwala na wykorzystanie ciężkich lub lekkich atomów. Dzięki temu można będzie dobrać napęd do założeń misji. Podczas gdy inne silniki plazmowe wymagają zastosowania ciężkich atomów, taki jak ksenon, w tej koncepcji może wykorzystać dowolny typ gazu, zapewnia uczona. Autorzy konkretnej misji mogliby np. wybrać gaz o lżejszych atomach, które poruszają się szybciej.
Praca ta została zainspirowana moimi wcześniejszymi pracami nad fuzją jądrową. Jest pierwszą koncepcją zakładającą jednoczesne wykorzystanie plazmoidów i rekoneksji magnetycznej w napędzie w przestrzeni kosmicznej. Następnym krokiem będzie zbudowanie prototypu, mówi uczona.
Ze szczegółami pomysłu Ebrahimi możemy zapoznać się na łamach Journal of Plasma Physics.
Komentarze (6)
Jarek Duda, 30 stycznia 2021, 11:40
Np. w VASIMIRze ( https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_Specific_Impulse_Magnetoplasma_Rocket ) używa się pola magnetycznego dla uwięzienia plazmy.
Tutaj bezpośrednio chce wyrzucać pętle "magnetic flux ropes" - blisko 1D struktur magnetycznych np. widzianych w koronie słońca ... bardzo ciekawe.
ps. Widzę że wspomina "coaxial plasma gun", który chyba został zapoczątkowany w Świerku ( https://www.dropbox.com/s/9tq6da123rnaj3f/sadowski10.pdf ) i np. jest rozwijany do bardzo ciekawego podejścia do fuzji: https://en.wikipedia.org/wiki/Dense_plasma_focus
radar, 30 stycznia 2021, 15:57
Brawo. Oby prototyp powstał w miarę sprawnie i spełniał założenia.
Qion, 30 stycznia 2021, 17:56
Zbudowanie funkcjonalnego prototypu może także zależeć od współczynnika stosunku mocy zasilania silnika do uzyskanego ciągu i nie należy go kojarzyć z impulsem właściwym. Obecnie wąskim gardłem jest bowiem moc układu zasilania pojazdu międzyplanetarnego.
W takim zestawieniu nawet klasyczny silnik jonowy NEXT wypada korzystniej niż silnik VASIMR typu VX-200:
peceed, 2 lutego 2021, 02:53
Wąskim gardłem zawsze jest ilość zabieranej substancji reakcyjnej. Przy tej samej mocy zawsze można czterokrotnie zwiększyć intensywność strumienia wylotowego by dwukrotnie zwiększyć ciąg, zatem i tak wszystko sprowadza się do ISP przy określonej dostępnej mocy, to najlepszy wskaźnik, wystarczy podawać sprawność - jaki procent energii elektrycznej zamienia się w energię kinetyczną gazów wylotowych. Drugi to stosunek ciągu do masy silnika jako funkcja isp przy danej mocy.
Qion, 2 lutego 2021, 19:25
Wszystko zależy od przeznaczenia i planowanej odległości jaką miałby pokonać pojazd kosmiczny
W przypadku podróży na Księżyc wystarczający i przetestowany jest już klasyczny silnik rakietowy na paliwo chemiczne właśnie ze względu na stosunkowo dużą siłę ciągu i nieznaczną w skali astronomicznej odległość, lecz w przypadku dalszych podróży poza orbitę Marsa bardziej uzasadnione jest zastosowanie silnika jonowego, a w przyszłości plazmowego. Ten drugi będzie wymagał jednak opracowania wydajniejszych i bardziej sprawnych generatorów energii elektrycznej niż wykorzystywane obecnie w dalekich misjach kosmicznych generatory radioizotopowe lub termoelektryczne.
Dla projektanta pojazdu kosmicznego wyznacznikiem jest osiągnięcie możliwie największej jego prędkości w przewidzianym dla danej misji czasie. Pomocne jest rozwiązanie równania różniczkowego silnika rakietowego działającego w próżni:
v = w*ln(m0/m), gdzie:
v – prędkość końcowa rakiety,
w – prędkość strumienia wylotowego gazów,
m0 – masa początkowa rakiety z paliwem,
m – masa końcowa rakiety (bez paliwa)
Zależność prędkości gazów wylotowych od sumy masy reakcyjnej i mocy układu zasilania silnika wynika z zasady zachowania energii:
(m0-m)*w^2/2 = n*P0*t, gdzie:
n – sprawność generatora zasilającego silnika rozumiana jako stosunek energii kinetycznej gazów wylotowych do energii włożonej,
P0 – moc elektryczna generatora,
t – czas działania silnika podczas całego okresu rozpędzania pojazdu
Masa reakcyjna mr = m0-m jest zatem wprost proporcjonalna do mocy generatora, czasu pracy silnika i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu prędkości gazów wylotowych:
mr = 2*n*P0*t/(w^2)
Wzór na prędkość pojazdu kosmicznego przyjmuje ostatecznie postać:
v = [2*n*P0*t/(m0-m)]^0,5*ln(m0/m)
Wąskim gardłem jest zatem moc generatora, która warunkuje zaopatrzenie pojazdu w odpowiednią ilość masy reakcyjnej. Z tego względu nie powstał jeszcze model silnika VASIMR, który nadawałby się do przetestowania w międzyplanetarnej misji kosmicznej.
Usher, 4 lutego 2021, 13:31
Naukowa języka dificult языка.
Krótka lista fałszywych przyjaciół w trzech językach:
Wniosek: Wikipedia może lepiej się nadawać do tłumaczenia tekstów naukowo-technicznych niż Tłumacz Google. Może, bo są przypadki, kiedy tam też jest rozjazd – wystarczy sprawdzić kilogram-siła (kilopond) i kilogramometr (kilopondometr).