Elektryczny silnik plazmowy: SCI-FI, które staje się rzeczywistością

Naukowcy niestrudzenie próbują ulepszać silniki napędowe pojazdów kosmicznych. Wykorzystują najnowsze zdobycze techniki, by uporać się z "nierozwiązywalnymi" problemami. Oto jeden z efektów ich prac.
MagnetoPlasmaDynamic Thruster

MagnetoPlasmaDynamic Thruster

Zasada działania elektrycznego silnika plazmowego typu MPDT (MagnetoPlasmaDynamic Thruster) nie należy do typowych. Siła ciągu jest bowiem generowana przez siłę Lorentza, czyli taką, jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym.

W dużym uproszczeniu: paliwo w stanie lotnym jest jonizowane i umieszczane w komorze przyspieszenia, gdzie generowane są pola elektryczne i magnetyczne. Cząsteczki są następnie napędzane przez siłę Lorentza, która pochodzi z interakcji z prądem płynącym przez plazmę i pole magnetyczne (które powstaje w wyniku działania dodatkowych mechanizmów, lub w wyniku przepływu prądu), dzięki czemu silnik generuje ciąg i napędza pojazd. Nie zachodzi proces spalania paliwa, a impuls właściwy (parametr silnika rakietowego w napędzie statków kosmicznych, równy stosunkowi popędu wytworzonej siły ciągu do masy zużytych materiałów) i ciąg zwiększają się wraz z poborem mocy.

Istnieją dwa rodzaje tego typu silników. Jak już wspomnieliśmy wyżej, pole magnetyczne w systemie napędowym może pochodzić z dwóch źródeł. W pierwszym przypadku silniki wyposażone są w pierścienie magnetyczne otaczające komorę wylotową, których zadaniem jest generowanie pola magnetycznego. Drugi rodzaj wykorzystuje katodę poprowadzoną przez środek komory.

Wiele rodzajów paliwa testowano przy okazji opracowywania tego silnika. Sprawdzano ksenon, neon, argon, wodór, hydrazynę i lit. Zazwyczaj najlepiej sprawdzał się ten ostatni.

Czemu ten silnik jest taki dobry?

MPDT jest w stanie osiągnąć bardzo wysokie impulsy właściwe przy prędkości wylotowej przekraczającej 110 tysięcy metrów na sekundę. To trzykrotnie więcej od ksenonowych silników jonowych i 20-krotnie więcej od rakiet zasilanych paliwem ciekłym. Siła ciągu to nawet 200 newtonów, czyli znacznie większa od jakichkolwiek innych silników elektrycznych i prawie tak wielka jak wiele rakiet napędzanych chemicznie. To wymarzony system napędowy dla statku kosmicznego, który będzie musiał wykonać wiele manewrów delta-v (w astrodynamice, to wielkość skalarna, która ma wymiar prędkości określająca miarę „wysiłku” niezbędnego do wykonania manewru orbitalnego, na przykład do zmiany trajektorii lotu) przy zachowaniu oszczędności paliwa.

Skoro jest taki dobry, to czemu nie jest już wykorzystywany?

Odpowiedź jest prosta: bo nie jest jeszcze gotowy. Pozostało kilka problemów do rozwiązania. Szczególnym jest wymagana moc, wynosząca kilkaset kilowatów. Obecnie stosowane ogniwa w pojazdach kosmicznych nie są w stanie temu sprostać. Jedyny ujawniony plan wprowadzenia tego ogniwa spalił na panewce: reaktor „Prometeusz” projektowany przez NASA nie doczekał się końcowego, gotowego egzemplarza, z uwagi na zamknięcie całego projektu w 2005 roku. Wiadomo też, że Związek Radziecki prowadził badania nad 600-watowym reaktorem w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, który miał trafić na pojazdy kosmiczne. Ten projekt również zarzucono. Roskosmos pracuje obecnie nad megawatowym reaktorem, ale postęp w pracach nie jest znany.

Silnik MPDT - próbne uruchomienie

Silnik MPDT – próbne uruchomienie

Nie wszystko jednak stracone. Dopóki nie zostanie opracowane odpowiednio wydajne ogniwo, pewien naukowiec, Bradley C. Edwards, zaproponował sposób na obejście tego problemu. Energię można transmitować z ziemi przy użyciu 5200-kilowatowych, 0,84-mikrometrowych laserów na swobodnych elektronach (FEL) z optyką adaptatywną. Pojazd kosmiczny miałby zostać wyposażony w arsenkowo-galowe panele słoneczne, gdzie energia byłaby konwertowana na elektryczność ze sprawnością 59 procent i gęstością mocy 540 kW/m2

.

Jest jednak jeszcze jeden problem: zużywanie się katod w silnikach MPDT. Jest to spowodowane dużą gęstością prądu. Naukowcy pracują więc nad odpowiednim paliwem. Jak zapewniają, mieszanka litu i baru w połączeniu z multikanałowymi pustymi katodami dają bardzo obiecujące rezultaty.

Kiedy te silniki faktycznie wyniosą cokolwiek w odległą przestrzeń kosmiczną? Tego nadal nie wiemy. Jak dotąd odbył się jeden jedyny test „kosmiczny”, przeprowadzony przez Japończyków podczas eksperymentu EPEX pod koniec ubiegłego wieku. Naukowcy nie tracą jednak optymizmu.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.