På vej til at skabe en elektrodeløs rumfartøjsfremdrivningsmotor

Universet består af plasma, som let påvirkes af magnetfelter og kræfter, fører til kompleks adfærd. Plasma findes i hele solsystemet på steder som den planetariske magnetosfære, solvind og i haler af kometer.

Magnetiske felter strakt af plasmastrømme resulterer i en stigning i feltkomponenten langs plasmastrømmen. Disse felter observeres ofte i rummet. Derimod, forskere i jordbaserede laboratorier ser ofte magnetfelterne formindsket af plasma på grund af dets diamagnetisme. Dette indebærer, at plasmaet kan generere et magnetfelt i den modsatte retning af det anvendte, så feltlinjerne afviger.

Forskere fra Tohoku University har forsøgt at finde ud af, hvordan plasmaflowet påvirkes af dets miljø via laboratorieforsøg, og har gjort fremskridt med forskning i retning af en elektrodeløs plasmastruster til at drive rumfartøjer.

Der er mange metoder til fremdrift af rumfartøjer, og mens de alle har deres fordele og ulemper, elektrisk fremdrift er nu moden og udbredt. Elektrisk drevne plasmatrustere kan levere stor trykdensitet uden behov for at udsætte elektroder for plasma, hvilket reducerer skader på grund af erosion over tid.

Mens næsten alle rumfartøjer bruger kemiske raketter til opsendelse, når hardwaren er i rummet, fremdrift er nødvendig for at manøvrere fartøjet til vedligeholdelse af kredsløb, forsyningsmissioner og efterforskning af rummet. Her, elektrisk fremdrift, med sin højere udstødningshastighed, foretrækkes, da den typisk bruger mindre drivmiddel end kemiske raketter. Fordi det er svært at lave generelle reparationer på rumfartøjer, når de først har forladt Jorden, pålideligheden af ​​deres interne komponenter er afgørende for langsigtede missioner.

Nogle nye koncepter for plasmatrusler involverer et ekspanderende magnetfelt kaldet magnetisk dyse (MN), hvor plasmaet spontant accelereres for at drive et rumfartøj, når det er udmattet i rummet.

Den MN-inducerede kraft, der driver rumskibet, er blevet demonstreret i laboratorieforsøg og har sin oprindelse i plasmaet, der inducerer magnetfeltet i den modsatte retning af det anvendte. Dette fungerer som magneter med modstående N poler:den ene vil afvise den anden. På samme måde, plasmaet i det fremdrevne MN divergerer i det væsentlige magnetfeltet. Men fordi magnetfelterne er lukket og vendt tilbage mod rumfartøjet, plasmaet, påvirket af feltet, vender tilbage, hvilket gør nettoslaget nul.

For at overvinde dette problem, forskere foreslår et scenario, hvor magnetfeltlinjerne strækkes til det uendelige af plasmastrømmen. Indtil nu, de fleste laboratorieforsøg har fokuseret på det divergerede MN frem for det strakte felt.

I deres laboratorium på Tohoku University, Kazunori Takahashi og Akira Ando observerede med succes den rumlige overgang mellem de to plasmastater, der divergerer og strækker MN. Her, de identificerede overgangen, da strækningen af ​​feltet blev detekteret i nedstrøms område af MN, hvorimod plasmatilstanden, der divergerer MN (dvs. frembringelse af tryk fra MN) blev stadig opretholdt i opstrømsregionen af ​​MN.

Dette resultat kan indebære, at plasmastrømmen kan lede magnetfeltet ud i rummet, samtidig med at MN'ens frembringelse af stødet opretholdes. Selvom det er antaget, at strækningen af ​​magnetfeltet opstår, når plasmaflowet når en bestemt hastighed, kaldet Alfven -hastigheden, eksperimentet viser, at det faktisk sker ved en langsommere hastighed end forventet.

Variationen af ​​feltstyrken er kun et par procent af den anvendte magnetiske feltstyrke for nu, men dette er et væsentligt første skridt til at overvinde problemet med at løsne plasmaet fra MN i plasma thrusteren. Desuden, dette eksperiment giver nogle fingerpeg om plasmas adfærd i forskellige miljøer, bygge bro mellem laboratoriet og den naturlige verden.

Yderligere detaljerede eksperimenter på en lang række parametre, teoretisk modellering og numerisk simulering er stadig nødvendig.

Detaljerede oplysninger kan findes i papiret udgivet af Fysisk gennemgangsbreve .