Женщина-физик придумала, как долететь до Марса в 10 раз быстрее

Ученый из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Фатима Ибрахим предложила новую концепцию ракетного двигателя для межпланетных перелетов, который способен доставить людей на Марс и другие планеты быстрее, чем существующие разработки.                                    





Существующие прототипы плазменных двигателей используют электрическое поле, и удельный импульс у них очень низкий. Предложенная концепция двигателя основана на так называемом эффекте магнитного пересоединения и непрерывной генерации плазмоидов - сгустков плазмы, поддерживаемых замкнутым магнитным полем.
Для движения космических аппаратов предлагается использовать энергию, которая высвобождается во время процессов изменения топологии магнитных силовых линий в высокотемпературной плазме. Плазмоиды, созданные благодаря пересоединению линий магнитного поля, будут ускоряться в двигателе до больших скоростей, что сделает двигатель в несколько раз быстрее по сравнению с существующими. Ученые предполагают, что скорость выхлопа будет достигать 20-500 км/с.    


По словам доктора Фатимы Ибрахим, на идею ее натолкнули прошлые работы по термоядерному синтезу, в частности, работа с токамаком в рамках Национального эксперимента со сферическим тором в PPPL. "Это первый случай, когда плазмоиды и пересоединение были предложены для движения в космосе, - сообщила она.
"Я уже давно готовлю эту концепцию, - сказала Ибрахим. - Идея возникла у меня еще в 2017 году. Во время работы токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу".    


Устройство использует магнитные поля, чтобы стрелять частицами плазмы из задней части ракеты и перемещать корабль в космос. На рисунке выше изображена концепция двигателя малой тяги, которая показывает, что частицы плазмы перемещаются в результате магнитного пересоединения.
Плазма - это горячее заряженное состояние вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99 процентов видимой Вселенной и способно генерировать огромное количество энергии.
Ученые круглосуточно работали над воспроизведением термоядерного синтеза в лаборатории в надежде использовать его силу для производства электроэнергии для ракет, летящих в глубоком космосе. Современные плазменные двигатели, использующие электрические поля для движения частиц, могут производить только небольшой удельный импульс или скорость.
Но компьютерное моделирование, выполненное на компьютерах PPPL и в Национальном вычислительном центре энергетических исследований, отделе науки Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать выхлоп со скоростью в сотни километров в секунду, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.
По словам Фатимы Ибрахим, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.
"Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость, - сказала она. - Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени".    


Хотя использование термоядерного синтеза для приведения в действие ракет не является новой концепцией, двигатель Ибрахим отличается от ведущих устройств по трем параметрам.
Во-первых, изменение силы магнитных полей может увеличивать или уменьшать силу тяги, что позволяет лучше маневрировать в космосе. "Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости", - объяснила Ибрахим.
Во-вторых, новый двигатель малой тяги производит движение, выбрасывая частицы плазмы и магнитные пузыри, известные как плазмоиды. Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и до сих пор не использовались ни в одной концепции ракетного двигателя.
И третье - эта концепция использует для выстрела частиц плазмы из задней части ракеты не электрические поля, а магнитные. Это может изменить правила игры, поскольку позволит ученым подбирать тягу для конкретной миссии.    
Существующие прототипы плазменных двигателей используют электрическое поле, и удельный импульс у них очень низкий. Предложенная концепция двигателя основана на так называемом эффекте магнитного пересоединения и непрерывной генерации плазмоидов - сгустков плазмы, поддерживаемых замкнутым магнитным полем.
Для движения космических аппаратов предлагается использовать энергию, которая высвобождается во время процессов изменения топологии магнитных силовых линий в высокотемпературной плазме. Плазмоиды, созданные благодаря пересоединению линий магнитного поля, будут ускоряться в двигателе до больших скоростей, что сделает двигатель в несколько раз быстрее по сравнению с существующими. Ученые предполагают, что скорость выхлопа будет достигать 20-500 км/с.    
По словам доктора Фатимы Ибрахим, на идею ее натолкнули прошлые работы по термоядерному синтезу, в частности, работа с токамаком в рамках Национального эксперимента со сферическим тором в PPPL. "Это первый случай, когда плазмоиды и пересоединение были предложены для движения в космосе, - сообщила она.
"Я уже давно готовлю эту концепцию, - сказала Ибрахим. - Идея возникла у меня еще в 2017 году. Во время работы токамак производит магнитные пузыри, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу".    
Устройство использует магнитные поля, чтобы стрелять частицами плазмы из задней части ракеты и перемещать корабль в космос. На рисунке выше изображена концепция двигателя малой тяги, которая показывает, что частицы плазмы перемещаются в результате магнитного пересоединения.
Плазма - это горячее заряженное состояние вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99 процентов видимой Вселенной и способно генерировать огромное количество энергии.
Ученые круглосуточно работали над воспроизведением термоядерного синтеза в лаборатории в надежде использовать его силу для производства электроэнергии для ракет, летящих в глубоком космосе. Современные плазменные двигатели, использующие электрические поля для движения частиц, могут производить только небольшой удельный импульс или скорость.
Но компьютерное моделирование, выполненное на компьютерах PPPL и в Национальном вычислительном центре энергетических исследований, отделе науки Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать выхлоп со скоростью в сотни километров в секунду, в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.
По словам Фатимы Ибрахим, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.
"Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость, - сказала она. - Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени".    
Хотя использование термоядерного синтеза для приведения в действие ракет не является новой концепцией, двигатель Ибрахим отличается от ведущих устройств по трем параметрам.
Во-первых, изменение силы магнитных полей может увеличивать или уменьшать силу тяги, что позволяет лучше маневрировать в космосе. "Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости", - объяснила Ибрахим.
Во-вторых, новый двигатель малой тяги производит движение, выбрасывая частицы плазмы и магнитные пузыри, известные как плазмоиды. Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и до сих пор не использовались ни в одной концепции ракетного двигателя.
И третье - эта концепция использует для выстрела частиц плазмы из задней части ракеты не электрические поля, а магнитные. Это может изменить правила игры, поскольку позволит ученым подбирать тягу для конкретной миссии.