Sådan fungerer plasmaraketter

Fem. Fire. Tre. To. En. Affyring! Ind i himlen skyder et raketskib, hurtigt bevæger sig ud over vores atmosfære og ud i det ydre rum. I det sidste halve århundrede, mennesker er gået fra bare at se forbløffet op på stjernerne, der glimter på nattehimlen, til faktisk at leve i flere måneder ad gangen på den internationale rumstation blandt himmellegemerne. Og mens mennesker har sat deres fod på månen, landing et sted længere væk har kun været forbeholdt ubemandede håndværk og robotter.

Et sted, folk er meget interesserede i at besøge, er Mars. Bortset fra de faktiske udfordringer ved at lande og tilbringe tid på et sted, der er så uvelkomment som den røde planet, der er den store hindring for faktisk at komme dertil. Gennemsnitlig, Mars er omkring 225,3 millioner kilometer fra Jorden. Selv når det er nærmest, det er stadig omkring 35,3 millioner miles (56,3 millioner kilometer) væk fra vores planet [kilde:St. Fleur]. Brug af de konventionelle kemiske raketter, der typisk fører os ud i det ydre rum, ville tage mindst syv måneder at nå dertil - ikke ligefrem kort tid [kilde:Verhovek]. Er der nogen måde, vi kan gøre det hurtigere? Indtast plasma -raketten!

I stedet for at bruge konventionelt raketbrændstof, forskere og ingeniører har vendt sig til plasmaraketets løfte om at drive os til det yderste rum. I denne type raketter, en kombination af elektriske og magnetiske felter bruges til at nedbryde atomerne og molekylerne i en drivgas til en samling partikler, der enten har en positiv ladning (ioner) eller en negativ ladning (elektroner). Med andre ord, drivgassen bliver til et plasma.

I mange konfigurationer af denne motor, et elektrisk felt påføres derefter for at skubbe ionerne ud på bagsiden af ​​motoren, som giver rumfartøjets tryk i den modsatte retning [kilde:Zyga]. Med denne teknologi optimeret, et rumskib kunne teoretisk nå en hastighed på 123, 000 km / t (198, 000 km / t) [kilde:Verhovek]. Med den hastighed, du kunne komme fra New York til Los Angeles på et minut!

1. Plasma:Den fjerde tilstand af materie
2. Typer af plasma raketter
3. Næste stop ... Mars?

Plasma:Den fjerde tilstand af materie

Verden er normalt opdelt i tre materier:solid, væske og gas. Når materien er kold, den er solid. Når det varmer op, det bliver til en væske. Når der påføres mere varme, du får en gas. Historien slutter ikke der, imidlertid. Når du tilføjer endnu mere varme, du får - plasma! Den ekstra energi og varme adskiller de neutrale atomer og molekyler i gassen til typisk positivt ladede ioner og negativt ladede elektroner. De ladede partikler giver plasma interessante ledende egenskaber, så plasmateknologi bruges til at lave alle mulige ting, vi bruger hver dag. Computerchips, neonskilte, selv den metalliske belægning på indersiden af ​​en pose kartoffelchips er skabt ved hjælp af plasmateknologi. Og selvfølgelig, der er plasma -fjernsynet, der bruger plasma til at frigive lette fotoner, giver dig en farvevisning af pixels på din skærm. Faktisk, 99 procent af almindeligt stof i universet er i plasmatilstand [kilde:Charles].

De fleste stjerner, inklusive vores sol, er lavet af plasma. Hvis det er så udbredt i universet, hvorfor ser vi det ikke meget på Jorden? Godt, rent faktisk, Det gør vi. Nord- og sydlys skabes af solvind. Og hvad er solvind? Plasma! OKAY, ikke alle er så heldige at se disse spektakulære lysdisplays, men du kan se plasma i aktion under et andet fantastisk lysshow fra naturen:et tordenvejr. Når elektriciteten i lynet strømmer gennem luften, det giver så meget energi til molekylerne på sin vej, at gasserne i lynet faktisk bliver omdannet til plasma.

Plasma -teknologi er også blevet brugt i raketter til at hjælpe os med at komme uden om det ydre rum, og det holder mest løfte om at få mennesker til steder, vi kun kunne drømme om før. Disse raketter skal være i det ydre rums vakuum for at fungere, da luftens tæthed nær jordoverfladen bremser accelerationen af ​​ioner i plasmaet, der er nødvendig for at skabe tryk, så vi kan faktisk ikke bruge dem til at løfte fra jorden. Imidlertid, nogle af disse plasmamotorer har været i drift i rummet siden 1971. NASA bruger dem typisk til vedligeholdelse af den internationale rumstation og satellitter, samt hovedkilden til fremdrift i dybt rum [kilde:NASA].

Typer af plasma raketter

Alle plasmaraketter fungerer efter samme princip:Elektriske felter og magnetfelter arbejder side om side for først at omdanne en gas - typisk xenon eller krypton - til plasma og derefter accelerere ionerne i plasmaet ud af motoren ved over 45, 000 km / t (72, 400 km / t), skabe et tryk i retning af den ønskede rejse [kilde:Science Alert]. Der er mange måder, hvorpå denne formel kan anvendes til at skabe en fungerende plasmaraket, men der er tre typer, der skiller sig ud som de bedste og mest lovende [kilde:Walker].

Hall -thrustere er en af ​​to typer plasmamotorer, der i øjeblikket er i brug regelmæssigt i rummet. I denne enhed, elektriske og magnetiske felter opsættes vinkelret i kammeret. Når der sendes elektricitet gennem disse duelleringsfelter, elektronerne begynder at suse rundt superhurtigt i cirkler. Da drivgassen sprøjtes ind i enheden, højhastighedselektronerne banker elektroner af atomerne i gassen, skaber et plasma bestående af de frie elektroner (bærende negative ladninger) og de nu positivt ladede atomer (ioner) af drivmidlet. Disse ioner bliver skudt ud af motorens bagside og skaber den kraft, der er nødvendig for at drive raketten frem. Mens de to processer med ionisering og acceleration af ionerne sker i trin, de forekommer inden for det samme rum i denne motor. Hallpropeller kan generere en betydelig mængde tryk for den anvendte inputeffekt, så de kan gå utrolig hurtigt. Men der er grænser for deres brændstofeffektivitet.

Når NASA leder efter en motor, der er mere brændstofeffektiv, det vender i stedet til ristede ionmotorer . I denne almindeligt anvendte enhed, elektriske og magnetiske felter er placeret langs motorrummets vægge. Når der tilføres elektrisk strøm, elektroner med høj energi svinger i og langs magnetfelterne nær væggene. På lignende måde som Hall -thrusteren, elektronerne er i stand til at ionisere drivgassen til et plasma. For at gøre det næste trin for at skabe tryk, elektriske net placeres for enden af ​​kammeret for at accelerere ionerne. I denne motor, ioniseringen og accelerationen sker i to forskellige rum. Mens motoren med gitternet er mere brændstofeffektiv end en Hall-thruster, ulempen er, at den ikke kan generere så meget tryk pr. arealenhed. Afhængigt af den type job, de ønsker at få udført, forskere og rumfartsingeniører vælger, hvilken motor der passer bedst til missionen.

Endelig, der er den tredje motortype:VASIMR, forkortelse for Variabel specifik impuls Magnetoplasma -raket . Denne raket, udviklet af den tidligere astronaut Franklin Chang Diaz, findes kun i testfasen nu. I denne enhed, ionerne skabes via radiobølger genereret af en antenne for at danne plasmaet. En anden antenne længere nedstrøms tilføjer energi, der får ionerne til at dreje rundt i en cirkel meget hurtigt. Et magnetfelt giver retningsbestemmelse, så ionerne frigives ud af motoren i en lige linje, derved levere kraften. Hvis det virker, denne raket vil have en enorm gasspredning, noget som Hall -thruster og ionristet motor ikke lige så let kan opnå.

Næste stop ... Mars?

Konventionelle raketter er fantastiske og har bragt os langt, men de har deres begrænsninger. Disse raketter fungerer også på grundlag af tryk:Motoren forbrænder brændstof, skabe en højtryksgas, der bliver tvunget ud af raketdysen ved høj hastighed, og raketten bliver drevet i modsat retning [kilde:Brain]. Raketbrændstof, dog meget tung og super ineffektiv. Det kan ikke levere nok strøm til at få steder hurtigt. Raketbrændstoffet brændes op i bestræbelserne på at komme ud af jorden og komme i kredsløb, og så er rumskibet dybest set tvunget til bare at kyst [kilde:Verhovek].

En plasma -raket, på den anden side, bruger meget mindre brændstof end disse konventionelle motorer - 100 millioner gange mindre brændstof, faktisk [kilde:Science Alert]. Det er så brændstofeffektivt, at du kan gå fra Jordens kredsløb til månens kredsløb med kun cirka 113 liter gas [kilde:Charles]. Plasma raketter accelererer gradvist og kan nå en maksimal hastighed på 55 kilometer i sekundet over 23 dage, som er fire gange hurtigere end nogen kemisk raket [kilde:Verhovek]. Mindre rejsetid betyder mindre risiko for, at skibet oplever mekaniske fejl og astronauter udsættes for solstråling, knogletab og muskelatrofi. Med VASIMR, fremdrift vil også teoretisk være tilgængelig under hele turen, hvilket betyder, at retningsændringer kan være mulige når som helst.

For at være realistisk, på dette tidspunkt, rejser til Mars på kort tid er stadig langt væk. At nå disse typer ekstreme afstande vil kræve meget strøm. De fleste Hall -thrustere og ristede ionmotorer kører på omkring 5 kilowatt effekt. For at komme til niveauet for magt, skal du nå Mars på cirka 40 dage, du skal bruge mindst 200 gange det beløb [kilde:Walker]. Den mest levedygtige energikilde til at generere denne mængde strøm i det ydre rum er atomkilder indbygget i motoren. På dette tidspunkt, imidlertid, at sætte en atomkilde på et raketskib, som vi sprænger fra jorden ud i rummet, udgør en for stor trussel om strålingseksponering i tilfælde af et styrt.

Så strømkilden til at nå disse afstande er stadig en stor udfordring. For ikke at nævne usikkerheden om, hvordan menneskekroppen ville reagere på at rejse 54 kilometer i sekundet (i modsætning til 4,7 miles eller 7,5 kilometer i sekundet, astronauter rejser for at komme til en lavere jordbane i konventionelle raketter) [kilder:Verhovek , Northwestern University Qualitative Reasoning Group]. Men i teorien, givet nok strøm, disse motorer har evnen til at nå Mars på cirka 40 dage, en bedrift, vi ikke ville have drømt om for bare 50 år siden.

Oprindeligt udgivet:29. sep. 2016

Plasma Rocket Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en plasma -raket?

Hvor hurtigt kan en plasma -raket gå?

Hvad er den hurtigste motor til rumfart?

Hvad er de forskellige typer plasmamotorer?

Hvor hurtigt kan VASIMR -motoren gå?

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer plasmaraketter

Først læste jeg "The Martian, "og nu har jeg skrevet denne artikel. Jeg har aldrig været så jazzet om Mars! Jeg er ikke sikker på, at jeg selv ville gå derhen, men mere kraft til astronauterne, der en dag kan gå på den røde planet!

relaterede artikler

• Sådan fungerer astronauter
• Sådan fungerer raketmotorer
• Sådan fungerer plasma -displays
• Hvordan fungerer landingen på Mars
• Hvordan Fusion Propulsion vil fungere

Flere store links

• NASAs billede af dagen
• Fremtidsvisioner:Pladsundersøgelsesplakater fra NASA Jet Propulsion Laboratory

Kilder

• Allain, Rhett. "Hvad er så specielt ved lav jordbane?" Kablet. 15. september, 2015. (25. august, 2016) http://www.wired.com/2015/09/whats-special-low-earth-orbit/
• Hjerne, Marshall. "Sådan fungerer raketmotorer." HowStuffWorks.com. 1. april kl. 2000. (25. august, 2016) https://science.howstuffworks.com/rocket.htm
• Charles, Christine. "Den fjerde tilstand af stof - plasma." TEDx-Canberra. 3. november kl. 2014. (24. aug. 2016) https://www.youtube.com/watch?v=n-17xqfF4FU
• Harris, Tom. "Sådan fungerer plasma -displays." HowStuffWorks.com 19. marts kl. 2002. (9. september, 2016) https://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm
• Nadis, Steve. "Den revolutionære raket, der kunne transportere mennesker til Mars." Opdag magasinet. 18. april kl. 2014. (24. august, 2016) http://discovermagazine.com/2014/may/12-rocketman
• NASA. "Oversigt over Hall Thrusters." (30. august, 2016) http://www.grc.nasa.gov/WWW/hall/overview/overview.htm
• NASA. "Tre klasser af kredsløb." (25. august, 2016) http://earthobservatory.nasa.gov/Features/OrbitsCatalog/page2.php
• Northwestern University Qualitative Reasoning Group. "Hvor hurtigt kan konventionelle raketter gå?" (9. september, 2016) http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/propulsion/2-how-fast-conventional.html
• Science Alert. "Denne plasmamotor kunne få mennesker til Mars på 100 millioner gange mindre brændstof." 28. oktober kl. 2015. (25. august, 2016) http://www.sciencealert.com/this-plasma-engine-could-get-humans-to-mars-on-100-million-times-less-fuel
• St. Fleur, Nicholas. "Et tæt møde for Jorden og Mars." New York Times. 30. maj kl. 2016. (9. september, 2016) http://www.nytimes.com/2016/05/31/science/mars-earth-closest-approach.html?_r=0
• Verhovek, Sam Howe. "123, 000 MPH plasmamotor, der endelig kunne tage astronauter til Mars. "Popular Science. 13. oktober, 2010. (24. august, 2016) http://www.popsci.com/technology/article/2010-10/123000-mph-plasma-engine-could-finally-take-astronauts-mars
• Walker, Mitchell. Lektor i luftfartsteknik, Georgia Institute of Technology. Personligt interview. 25. august, 2016.
• Zyga, Lisa. "Plasma -raket kunne rejse til Mars på 39 dage." Phys.org. 6. oktober kl. 2009. (24. august, 2016) http://phys.org/news/2009-10-plasma-rocket-mars-days.html