Hvordan elektromagnetisk fremdrift vil fungere

I årtier, det eneste middel til rumfart har været raketmotorer, der løber tør for kemisk fremdrift. Nu, i begyndelsen af ​​det 21. århundrede, rumfartsingeniører udvikler innovative måder at tage os til stjernerne på, herunder let fremdrift, atomfusionsfremdrivning og antimateriadrift. En ny type rumfartøjer, der mangler drivmiddel, foreslås også. Denne type rumfartøjer, som ville blive stødt gennem rummet af elektromagneter, kunne føre os længere end nogen af ​​disse andre metoder.

Ved afkøling til ekstremt lave temperaturer, elektromagneter viser en usædvanlig adfærd:I de første par nanosekunder efter at der er påført elektricitet, de vibrerer. David Goodwin , en programleder ved U.S. Department of Energy's Office of High Energy and Nuclear Physics, foreslår, at hvis denne vibration kan holdes i én retning, det kunne give nok et ryk til at sende rumfartøjer længere og hurtigere ud i rummet end nogen anden fremdriftsmetode under udvikling.

Goodwin blev inviteret til at præsentere sin idé på en fælles fremdriftskonference den 8. juli, 2001, i Salt Lake City, Utah. I denne udgave af Hvordan ting vil fungere , du får at se, hvordan Goodwins elektromagnetiske fremdriftssystem fungerer, og hvordan det kunne sende rumfartøjer dybt ud i rummet.

Stød i rummet

Det amerikanske energiministerium (DOE) er typisk ikke i gang med at udvikle fremdriftssystemer til NASA, men den arbejder konstant på bedre superledende magneter og meget hurtig, høj effekt solid-state switches . I midten af ​​1990'erne Goodwin var leder af en session for NASAs gennembrudsprojekt for fremdriftsfysik, som arbejder på at designe fremdriftssystemer, der ikke har noget drivmiddel, bruge et meget højt energisystem og kan i sidste ende overvinde inerti.

"Det syntes, at der skulle være en måde at bruge denne teknologi, som [DOE -forskere] udviklede for at hjælpe NASA med at nå deres mål, og det udsprang grundlæggende af det, "Sagde Goodwin. Det, der kom fra DOE-forskningen, var Goodwins idé om et rumfremdriftssystem, der bruger superkølet, superledende magneter, der vibrerer 400, 000 gange i sekundet. Hvis denne hurtige puls kan rettes i en retning, det kunne skabe et meget effektivt rumfremdriftssystem med evnen til at opnå hastigheder i størrelsesordenen en brøkdel af 1 procent af lysets hastighed.

I løbet af de første 100 nanosekunder (milliarder af et sekund) af en elektromagnet, der stiger op, elektromagneten er i en ikke-stabil tilstand der gør det muligt at pulse meget hurtigt. Efter at det ramler op, magnetfeltet når en stabil tilstand, og der forekommer ingen puls. Goodwin beskriver den elektromagnet, han bruger som en magnetventil , som i bund og grund er en superledende magnetisk tråd viklet omkring en metalcylinder. Hele strukturen vil have en diameter på 30,5 cm, en højde på 3 fod (91,4 cm) og en vægt på 55,12 pund (25 kg). Tråden, der bruges til dette fremdriftssystem, er en niob-tin-legering . Flere af disse trådstrenge vil blive pakket ind i et kabel. Denne elektromagnet bliver derefter superkølet med flydende helium til 4 grader Kelvin (-452,47 F / -269,15 C).

For at magneten skal vibrere, du skal forårsage en asymmetri i magnetfeltet. Goodwin planlægger bevidst at introducere en metal plade ind i magnetfeltet for at forstærke den vibrerende bevægelse. Denne plade ville være lavet af enten kobber, aluminium eller jern. Aluminiums- og kobberpladerne er bedre ledere og har en større effekt på magnetfeltet. Pladen ville blive ladet op og isoleret fra systemet for at skabe asymmetri . Derefter ville pladen blive tømt for elektricitet i de få mikrosekunder (milliontedele af et sekund), før magneten fik lov til at svinge i den modsatte retning.

"Nu, fangsten her er, kan vi bruge denne ikke-stationære tilstand på en sådan måde, at den kun bevæger sig i en retning? "sagde Goodwin." Og det er der, det er meget usikkert, at det kan lade sig gøre. Derfor vil vi gerne lave et eksperiment for at finde ud af det. "Sammen med Boeing's samarbejde Goodwin søger finansiering fra NASA til at udføre et sådant eksperiment.

Nøglen til systemet er solid-state switch der ville formidle den elektricitet, der sendes fra strømforsyningen til elektromagneten. Denne switch tænder og slukker i grunden elektromagneten, 000 gange i sekundet. En solid-state switch ligner en overdimensioneret computerchip-forestil dig en mikroprocessor på størrelse med en hockeypuck. Dens opgave er at tage steady-state-magten og konvertere den til en meget hurtig, høj effektpuls 400, 000 gange i sekundet ved 30 ampere og 9, 000 volt.

I det næste afsnit, du lærer, hvor systemet henter sin strøm fra, og hvordan det kan sende fremtidige rumfartøjer ud over vores solsystem.

Ud over vores solsystem

Det amerikanske energiministerium arbejder også på planer om en atomreaktor til NASA. Goodwin mener, at denne reaktor kunne bruges til at drive det elektromagnetiske fremdriftssystem. DOE arbejder på at sikre finansiering fra NASA, og en 300-kilowatt reaktor kunne være klar i 2006. Fremdrivningssystemet ville blive konfigureret til at konvertere den termiske effekt, som reaktoren genererer, til elektrisk kraft.

"For dybt rum, Mars og videre, du er stort set nødt til at gå til atomkraft, hvis du vil flytte en masse, "Sagde Goodwin.

Reaktoren vil generere strøm gennem processen med induceret nuklear fission, som genererer energi ved at splitte atomer (såsom uran-235 atomer). Når et enkelt atom deler sig, det frigiver store mængder varme og gammastråling. Et pund (0,45 kg) stærkt beriget uran, ligesom den, der plejede at drive en atomubåd eller atomflybærer, er lig med omkring 1 million gallon (3,8 millioner liter) benzin. Et pund uran er kun på størrelse med et baseball, så det kunne drive et rumfartøj i lange perioder uden at optage meget plads på det. Denne form for atomdrevne, elektromagnetisk fremdrevne rumfartøjer ville kunne krydse utroligt store afstande.

Termisk energi fra en atomreaktor kan omdannes til elektricitet til at drive rumfartøjet.

"Du kunne ikke nå den nærmeste stjerne, men du kunne se missioner til heliopausen, "Goodwin sagde." Hvis det fungerede ekstremt godt, det kunne ramme hastigheder på en brøkdel af 1 procent af lysets hastighed. Selv ved det, det ville tage hundredvis af år at nå den nærmeste stjerne, hvilket stadig er upraktisk. "

Det heliopause er det punkt, hvor solvinden fra solen møder den interstellare solvind skabt af de andre stjerner. Det ligger omkring 200 astronomiske enheder (AU) fra solen (den nøjagtige placering af heliopausen er ukendt). En AU er lig med den gennemsnitlige afstand fra solen til Jorden, eller omkring 93 millioner miles (150 millioner km). Til sammenligning, Pluto er 39,53 AU fra solen.

For at flytte mennesker, en meget større enhed skulle bygges, men diameteren på 1 fod, 3 fod høj elektromagnetisk kunne skubbe små, ubemandede rumfartøjer som en interstellar sonde til meget lange afstande. Systemet er meget effektivt, ifølge Goodwin, og det lægger meget strøm gennem en superleder. Spørgsmålet er, om forskere kan konvertere denne kraft til fremdrift uden at ødelægge magneten. Den hurtige vibration ville sandsynligvis bringe magneten til kanten af ​​dens styrke.

Skeptikere i et sådant system siger, at alt, hvad Goodwin vil opnå, er at vibrere magneten meget hurtigt, men det går ingen steder. Goodwin indrømmer, at der endnu ikke er tegn på, at hans fremdriftssystem vil fungere. "Det er meget spekulativt, og på mine mest vildt optimistiske dage, Jeg tror, ​​der er en chance ud af 10 for, at det kan fungere, "sagde Goodwin. Selvfølgelig, 100 år siden, folk troede på, at vi havde endnu mindre chance for overhovedet at komme til rummet.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer elektromagneter
• Sådan fungerer Maglev -tog
• Sådan fungerer atomkraft
• Hvordan let fremdrift vil fungere
• Sådan fungerer rumfartøjer til antimateriale
• Hvordan Fusion Propulsion vil fungere
• Sådan fungerer ting

Flere gode links!

• NASA gennembrudsprojekt for fremdriftsfysik
• US Department of Energy:Office of High Energy and Nuclear Physics
• Til stjernerne ved elektromagnetisk fremdrift
• Science IMPACT:Elektromagnetisk transport - undervisning i elektromagnetisk fremdrift
• Nye muligheder for rumfremdrivelsesgennembrud