Пять. Четыре. Три. Два. Один. Взлетать! В небо стреляет ракетный корабль, быстро улетающий за пределы нашей атмосферы в космическое пространство. За последние полвека люди перешли от того, чтобы просто с изумлением смотреть на звезды, мерцающие в ночном небе, к тому, чтобы жить месяцами на Международной космической станции среди небесных тел. И хотя люди ступили на Луну, приземляться где-то еще дальше могли только беспилотные аппараты и роботы.
Одно из мест, которое люди очень хотят посетить, это Марс. Помимо фактических проблем с посадкой и пребыванием в таком неприветливом месте, как красная планета, есть большое препятствие на пути туда. В среднем Марс составляет около 140 миллионов миль (225.3 миллиона километров) от Земли. Даже находясь в ближайшей точке, он все еще находится на расстоянии около 35 миллионов миль (56,3 миллиона километров) от нашей планеты. Используя обычные химические ракеты, которые обычно доставляют нас в космос, потребуется не менее семи месяцев, чтобы добраться туда - не совсем короткий промежуток времени. Есть ли способ сделать это быстрее? Войди в плазменную ракету!
Вместо использования обычного ракетного топлива ученые и инженеры обратились к перспективным плазменным ракетам, которые помогут нам добраться до дальних уголков космоса. В ракетах этого типа комбинация электрических и магнитных полей используется для разложения атомов и молекул газа-вытеснителя на совокупность частиц, имеющих либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-вытеснитель превращается в плазму.
Во многих конфигурациях этого двигателя затем применяется электрическое поле для выброса ионов из задней части двигателя, которые обеспечивают тягу космического корабля в противоположном направлении. С этой оптимизированной технологией космический корабль теоретически может развивать скорость 123 000 миль в час (198 000 км в час). На такой скорости можно добраться из Нью-Йорка в Лос-Анджелес за одну минуту!
Плазма: четвертое состояние вещества
Мир обычно делится на три состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. Когда материя холодная, она твердая. При нагревании превращается в жидкость. Когда применяется больше тепла, вы получаете газ. Однако на этом история не заканчивается. Добавляя еще больше тепла, вы получаете - плазму! Дополнительная энергия и тепло расщепляют нейтральные атомы и молекулы газа на обычно положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Заряженные частицы придают плазме интересные проводящие свойства, поэтому плазменная технология используется для изготовления всевозможных предметов, которые мы используем каждый день. Компьютерные чипы, неоновые вывески, даже металлическое покрытие внутри пакета с картофельными чипсами создаются с использованием плазменной технологии. И, конечно же, есть плазменные телевизоры, в которых плазма используется для испускания фотонов света, что дает вам цветное отображение пикселей на вашем экране. На самом деле 99 процентов обычного вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы.
Большинство звезд, включая наше Солнце, состоят из плазмы. Если она так распространена во Вселенной, почему мы редко видим ее на Земле? Ну, на самом деле, мы делаем. Северное и южное сияние создаются солнечными ветрами. А что такое солнечные ветры? Плазма! Ладно, не всем посчастливится увидеть эти впечатляющие световые шоу, но вы можете увидеть плазму в действии во время другого потрясающего светового шоу, созданного природой: во время грозы. Поскольку электричество в молнии течет по воздуху, оно передает столько энергии молекулам на своем пути, что газы в следе молнии фактически превращаются в плазму.
Плазменная технология также использовалась в ракетах, чтобы помочь нам перемещаться в открытом космосе, и она обещает доставить людей в места, о которых мы раньше могли только мечтать. Эти ракеты должны находиться в вакууме космического пространства, чтобы работать, так как плотность воздуха у поверхности земли замедляет ускорение ионов в плазме, необходимое для создания тяги, поэтому мы не можем фактически использовать их для старта с земля. Однако некоторые из этих плазменных двигателей работают в космосе с 1971 года. НАСА обычно использует их для обслуживания Международной космической станции и спутников, а также в качестве основного источника движения в дальнем космосе.
Типы плазменных ракет
Все плазменные ракеты работают по одному и тому же принципу: электрические поля и магнитные поля работают бок о бок, чтобы сначала преобразовать газ - обычно ксенон или криптон - в плазму, а затем разогнать ионы в плазме из двигателя. на скорости более 45 000 миль в час (72 400 км в час), создавая тягу в желаемом направлении движения. Есть много способов применения этой формулы для создания работающей плазменной ракеты, но есть три типа, которые выделяются как лучшие и наиболее перспективные.
Двигатели Холла - один из двух типов плазменных двигателей, которые в настоящее время регулярно используются в космосе. В этом устройстве электрические и магнитные поля устанавливаются в камере перпендикулярно. Когда электричество проходит через эти противоборствующие поля, электроны начинают вращаться со сверхбыстрой скоростью. Когда газ-вытеснитель впрыскивается в устройство, высокоскоростные электроны выбивают электроны из атомов газа, создавая плазму, состоящую из свободных электронов (несущих отрицательные заряды) и теперь уже положительно заряженных атомов (ионов) топлива. Эти ионы выбрасываются из задней части двигателя и создают тягу, необходимую для движения ракеты вперед. Хотя два процесса ионизации и ускорения ионов происходят поэтапно, в этом двигателе они происходят в одном и том же пространстве. Двигатели Холла могут генерировать значительную тягу для используемой входной мощности, поэтому они могут двигаться невероятно быстро. Но есть пределы их эффективности использования топлива.
Когда НАСА ищет более экономичный двигатель, вместо этого оно обращается крешетчатым ионным двигателям В этом широко используемом устройстве электрические и магнитные поля расположены вдоль стенок камеры двигателя. При подаче электроэнергии высокоэнергетические электроны колеблются в магнитных полях вблизи стенок и вдоль них. Подобно двигателю Холла, электроны способны ионизировать газ-вытеснитель в плазму. Чтобы сделать следующий шаг по созданию тяги, в конце камеры размещают электрические решетки, чтобы ускорить выход ионов. В этом двигателе ионизация и ускорение происходят в двух разных пространствах. Хотя ионный двигатель с сеткой более экономичен, чем двигатель Холла, его недостатком является то, что он не может генерировать такую большую тягу на единицу площади. В зависимости от типа работы, которую они хотят выполнить, ученые и аэрокосмические инженеры выбирают, какой двигатель лучше подходит для их миссии.
Наконец, есть третий тип двигателя: VASIMR, сокращение отМагнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсомЭта ракета, разработанная бывшим астронавтом Франклином Чангом Диасом, сейчас существует только на этапе испытаний. В этом устройстве ионы создаются с помощью радиоволн, генерируемых антенной, для формирования плазмы. Другая антенна дальше по течению добавляет энергию, которая заставляет ионы очень быстро вращаться по кругу. Магнитное поле обеспечивает направленность, так что ионы выбрасываются из двигателя по прямой линии, обеспечивая тем самым тягу. Если это сработает, у этой ракеты будет огромный диапазон дроссельной заслонки, чего не могут достичь двигатели Холла и двигатели с ионными сетками.
Следующая остановка Марс?
Обычные ракеты прекрасны и далеко ушли, но у них есть свои ограничения. Эти ракеты также работают на основе тяги: двигатель сжигает топливо, создавая газ под высоким давлением, который выталкивается из сопла ракеты на высокой скорости, и ракета движется в противоположном направлении. Однако ракетное топливо очень тяжелое и сверхнеэффективное. Он не может обеспечить достаточную мощность, чтобы быстро занять места. Ракетное топливо сгорает при попытке оторваться от земли и выйти на орбиту, а затем космический корабль просто вынужден двигаться по инерции.
Плазменная ракета, с другой стороны, использует намного меньше топлива, чем эти обычные двигатели - фактически в 100 миллионов раз меньше топлива. Он настолько экономичен, что вы можете перейти с орбиты Земли на орбиту Луны всего с 30 галлонами (113 литрами) газа. Плазменные ракеты разгоняются постепенно и могут достигать максимальной скорости 34 мили (55 километров) в секунду за 23 дня, что в четыре раза быстрее, чем любая химическая ракета. Меньшее время, проведенное в пути, означает меньший риск механических поломок корабля и астронавтов, подвергшихся воздействию солнечной радиации, потери костной массы и атрофии мышц. С VASIMR движение будет теоретически доступно на протяжении всей поездки, а это означает, что изменение направления может быть возможно в любое время.
Если быть реалистом, на данный момент до путешествия на Марс в короткие сроки еще далеко. Для преодоления таких экстремальных расстояний потребуется много энергии. Большинство двигателей Холла и ионных двигателей с сеткой потребляют около 5 киловатт мощности. Чтобы достичь уровня мощности, необходимого для достижения Марса примерно за 40 дней, вам потребуется как минимум в 200 раз больше. Наиболее жизнеспособным источником энергии для выработки такого количества энергии в открытом космосе являются ядерные источники энергии, встроенные в двигатель. Однако в настоящее время размещение ядерного источника энергии на ракетном корабле, который мы запускаем с земли в космос, представляет слишком большую угрозу радиационного облучения в случае крушения.
Таким образом, источник энергии для достижения таких расстояний остается серьезной проблемой. Не говоря уже о неопределенности того, как человеческое тело отреагирует на полет со скоростью 34 мили (54 километра) в секунду (в отличие от 4,7 миль или 7,5 километров в секунду, которые астронавты преодолевают на более низкой околоземной орбите на обычных ракетах). Но теоретически, при достаточной мощности, эти двигатели способны достичь Марса примерно за 40 дней, о чем мы и мечтать не могли всего 50 лет назад.
Часто задаваемые вопросы о плазменной ракете
Что такое плазменная ракета?
В ракетах этого типа комбинация электрических и магнитных полей используется для разложения атомов и молекул метательного газа на совокупность частиц, имеющих либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-вытеснитель превращается в плазму.
Как быстро может летать плазменная ракета?
С этой оптимизированной технологией космический корабль теоретически может развивать скорость до 123 000 миль в час (198 000 км/ч). На такой скорости можно добраться из Нью-Йорка в Лос-Анджелес за одну минуту!
Какой самый быстрый двигатель для космических путешествий?
В настоящее время солнечный зонд Parker, запущенный в 2018 году для изучения Солнца, является самым быстрым объектом, созданным человеком, включая космический корабль. По данным НАСА, на сегодняшний день он достиг скорости 244 255 миль в час (393 044 километра в час) и, как ожидается, достигнет максимальной скорости около 430 000 миль в час в 2024 году.
Каковы различные типы плазменных двигателей?
Двигатели Холла, ионные двигатели с сеткой и магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASMIR).
Насколько быстро может работать движок VASIMR?
По данным Ad Astra Rocket Company, компании, разработавшей VASIMR, у VASIMR нет максимальной скорости. Вместо этого ракета будет продолжать разгонять свой космический корабль, пока не закончится топливо.
Примечание автора: как работают плазменные ракеты
Сначала я прочитал "Марсианина", а теперь написал эту статью. Я никогда не был так взволнован Марсом! Я не уверен, что хотел бы отправиться туда сам, но побольше сил астронавтам, которые однажды могут ступить на красную планету!