參考太陽磁重聯巨大能量,新型電磁推進器速度比現有離子推進器快 10 倍

作者 | 發布日期 2021 年 02 月 03 日 17:41 | 分類 尖端科技 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


從太陽帆、離子推進器到核熱火箭、核電火箭等,用來探索太空的各種概念性工具琳琅滿目,而最近普林斯頓電漿物理實驗室(PPPL)科學家 Fatima Ebrahimi 提出了一種新型電磁推進器,依靠發生於太陽表面的磁重聯現象來產生引擎推力,速度能比目前使用電場推動粒子的離子推進器快 10 倍。

過去 64 年來,送往地球外的多艘探測器都取得相當成功研究成果,但你有否注意到這些探測器或太空船通常都不大?目前執行過任務的最重太空船為「自動運載飛船(Automated Transfer Vehicle,ATV)-喬治·勒梅特號」,滿載質量約 20.3 噸,為國際太空站補充了推進劑、水、空氣、乾貨,跟一幅藝術家凱蒂·帕特森的作品;而目前最重的太空探測器則是探索土星的卡西尼-惠更斯號(Carsini-Huygens),重量約 5.6 噸。

為什麼這些探測器無法再做得更大一些?很大原因跟引擎有關。化學火箭雖然能產生巨大推力,但比衝(specific impulse,推進系統的燃燒效率)很低,也就是說化學火箭在燃料用盡前沒辦法飛太遠;離子推進系統(比如霍爾效應推進器)則相反,其原理是先將氣體電離,然後用電場力將帶電離子加速後噴出,利用反作用力推動火箭(探測器/太空船)前進,比衝遠大於現有其它推進技術。

雖然離子推進器的初始推力很小(大概只吹得動一張紙),但只要少量推進劑就能(非常緩慢地)加速到最終速度,給它時間,它可以飛超遠。

然而,對於要將數十甚至數百噸物資送到火星的太空船而言,這兩種方法都不太有吸引力,雖然安裝離子推進器能減少燃料載量來增加有效載荷量,但我們不可能浪費時間放著物資與昂貴設備在太空長途漫遊。

利用磁重聯能量加速粒子

跟上述方法相比,Fatima Ebrahimi 設計了一種效率可能更好的新型電磁推進器,該設備依靠磁重聯(Magnetic reconnection)現象來加速電漿從引擎噴出,從而推動探測器前進。磁重聯是常見於宇宙、發生於高導電電漿中的物理過程,太陽表面便有這種現象,過程中磁拓撲重新分布,同時磁能被轉換為動能、熱能並加速粒子(也就是太陽耀斑成因)。

利用電腦模擬發現,這種重新連接磁場來電離氣體以產生推力的新型電磁推進器,可以每秒數百公里的速度噴出電漿,比其他推進器快了 10 倍。

Fatima Ebrahimi 的推進器概念與其他設備有 3 個主要差異,第一,可以改變磁場強度來增加或減少推力;第二,新推進器不只能噴射電漿(plasma),也能噴射電漿粒團(plasmoid)來產生推力,目前還沒有其他推進器融入這種概念。

第三,與當前依靠電場的推進器不同,新型推進器燃料不一定只倚賴重原子構成的氣體(比如氙氣),也能由輕原子組成,這種靈活性能讓科學家針對特定任務調整推力大小,某些情況下,科學家可能更喜歡較輕的氣體,因為原子移動更快。

Fatima Ebrahimi 的這道靈感受到過去工作啟發,是第一次有人提出將電漿與磁重聯現象結合用於太空推進系統,下一步就是嘗試開始打造原型。新論文發表在(Journal of Plasma Physics)期刊。

(首圖來源:普林斯頓電漿物理實驗室