Ionimoottori – uudet avaruushorisontit. Tehokkain testattu ionimoottori

Euroopan avaruusjärjestö on testannut ramjet-ionimoottoria käyttämällä ponneaineena ympäröivästä ilmakehästä tulevaa ilmaa. Viraston lehdistötiedotteen mukaan oletetaan, että tällaisella moottorilla varustetut pienet satelliitit pystyvät toimimaan lähes loputtomasti kiertoradoilla, joiden korkeus on enintään 200 kilometriä.

Ionimoottorien toimintaperiaate perustuu kaasuhiukkasten ionisaatioon ja niiden kiihdyttämiseen sähköstaattisen kentän avulla. Tällaisissa moottoreissa kaasuhiukkaset kiihtyvät merkittävästi suuret nopeudet kuin kemiallisissa moottoreissa, minkä vuoksi ionimoottoreilla on paljon suurempi ominaisimpulssi ja kulutus vähemmän polttoainetta... Mutta ionimoottoreilla on myös tärkeä haittapuoli - erittäin pieni työntövoima verrattuna kemiallisiin moottoreihin. Tästä johtuen niitä käytetään harvoin käytännössä, lähinnä pienissä laitteissa. Tällaisia ​​moottoreita käytetään esimerkiksi Dawn-luotaimessa, joka nyt kiertää kääpiöplaneetta Ceresiä, ja niitä käytetään BepiColombo-tehtävässä, jonka on määrä matkustaa Merkuriukseen vuoden 2018 lopulla.

Kuten kemiallisissa moottoreissa, nykyään käytössä olevissa ionimoottoreissa käytetään polttoainetta, yleensä ksenonia. Mutta on myös käsite ramjet-ionimoottorit, joita ei kuitenkaan ole vielä käytetty avaruuteen lentävissä avaruusaluksissa. Sen ero on siinä, että työnesteenä ehdotetaan käytettäväksi ei rajallista kaasun määrää, joka on ladattu säiliöön ennen laukaisua, vaan ilmaa Maan ilmakehästä tai muusta ilmakehän kappaleesta.

Moottorin toimintakaavio

ESA-A. Di giacomo

Oletetaan, että suhteellisen pieni avaruusalus, jossa on tällainen moottori, pystyy toimimaan lähes loputtomasti matalilla kiertoradoilla noin 150 kilometrin korkeudella kompensoimalla ilmakehän jarrutusta moottorin työntövoimalla, joka toimii siihen ilmakehästä tulevalla ilmalla. Vuonna 2009 ESA laukaisi GOCE-satelliitin, joka pystyi pysymään 255 kilometrin kiertoradalla lähes viisi vuotta aina päällä olevalla ksenonilla varustetulla ionimoottorilla. Siitä lähtien virasto on ryhtynyt kehittämään ramjet-ionimoottoria vastaavia LEO-satelliitteja varten ja on nyt suorittanut tällaisen moottorin ensimmäiset testit.

Testit suoritettiin tyhjiökammiossa, jossa moottori oli. Aluksi sitä syötettiin kiihdytetyllä ksenonilla. Sen jälkeen kaasunottolaitteeseen lisättiin hapen ja typen seos, joka simuloi ilmakehää 200 kilometrin korkeudessa. Testien lopussa insinöörit suorittivat testit poikkeuksellisesti ilman seos tarkistaaksesi toiminnan päätilassa.

Moottorin testaus ilmalla polttoaineena

Suoraan läpi ionimoottori

Avaruudessa liikkumisen ongelma on ollut ihmiskunnan edessä kiertoradan alusta lähtien. Maasta nouseva raketti kuluttaa lähes kaiken polttoaineensa sekä kiihdytin- ja porraslataukset. Ja jos raketti voidaan silti repiä irti maasta täyttämällä se valtavalla määrällä polttoainetta kosmodromissa, niin avoimessa avaruudessa ei yksinkertaisesti ole paikkaa eikä mitään tankkaamista. Mutta kiertoradalle siirtymisen jälkeen sinun on siirryttävä eteenpäin. Eikä ole polttoainetta.

Ja tämä on nykyaikaisen kosmonautikan pääongelma. Avaruusalus on edelleen mahdollista heittää kiertoradalle polttoainevaralla kuuhun asti, tämän teorian mukaan kuuhun suunnitellaan tankkaustukikohdan luomista "pitkän matkan" avaruusaluksille, jotka lentävät esimerkiksi Marsiin. Mutta tämä kaikki on liian monimutkaista.

Ja ratkaisu ongelmaan luotiin hyvin kauan sitten, vuonna 1955, kun Aleksey Ivanovich Morozov julkaisi artikkelin "Plasman kiihtyvyydestä magneettikentällä". Siinä hän kuvaili täysin uuden avaruusmoottorin käsitettä.

Ion-plasmamoottorilaite

Toimintaperiaate plasmamoottori koostuu siitä, että käyttöneste ei ole palavaa polttoainetta, kuten suihkumoottoreissa, vaan ionivirtaa, jota magneettikenttä kiihdyttää järjettömään nopeuteen.

Ionien lähde on kaasu, yleensä argon tai vety, kaasusäiliö on aivan moottorin alussa, sieltä kaasu syötetään ionisaatioosastoon, saadaan kylmää plasmaa, joka lämmitetään seuraavassa osastossa. ionisyklotroniresonanssilämmitys. Kuumennuksen jälkeen korkeaenerginen plasma syötetään magneettisuuttimeen, jossa se muodostetaan magneettikentän avulla virraksi, kiihdytetään ja heitetään ympäristöön. Näin pito saavutetaan.

Siitä lähtien plasmapotkurit ovat kulkeneet pitkän tien ja ne on jaettu useisiin päätyyppeihin, joita ovat sähkötermiset potkurit, sähköstaattiset potkurit, suurvirta- tai magnetodynaamiset potkurit ja pulssipotkurit.

Sähköstaattiset moottorit puolestaan ​​jaetaan ioneihin ja plasmaan (hiukkaskiihdytit kvasineutraalissa plasmassa).

Tässä artikkelissa kirjoitamme modernista ionimoottoreita ja niiden lupaava kehitys, koska mielestämme avaruuslaivaston tulevaisuus on heillä.

Ionimoottori käyttää polttoaineena ksenonia tai elohopeaa. Ensimmäistä ionipotkuria kutsuttiin sähköstaattiseksi verkkopotkuriksi.

Sen toimintaperiaate on seuraava:

Ionisaattori syötetäänxenon, joka itsessään on neutraali, mutta ionisoituu, kun sitä pommitetaan korkeaenergisilla elektroneilla. Tämä luo kammioon positiivisten ionien ja negatiivisten elektronien seoksen. Elektronien "suodattamiseksi" kammioon tuodaan katodiverkoilla varustettu putki, joka vetää elektroneja puoleensa.

Positiiviset ionit houkuttelevat uuttojärjestelmää, joka koostuu 2 tai 3 hilasta. Verkkojen välillä säilyy suuri sähköstaattisen potentiaalin ero (+1090 volttia sisäpuolella vs. -225 volttia ulkoisessa). Hilkojen väliin osuvien ionien seurauksena ne kiihtyvät ja sinkoutuvat avaruuteen kiihdyttäen alusta Newtonin kolmannen lain mukaan.

venäläiset ionimoottorit. Kaikissa niissä näkyy selvästi suutinta kohti suunnatut katodiputket.

Katodiputkeen loukkuun jääneet elektronit työntyvät ulos moottorista pienessä kulmassa suuttimeen ja ionivirtaan nähden. Tämä tehdään kahdesta syystä:

Ensinnäkin, jotta laivan runko pysyy neutraalisti varautuneena, ja toiseksi, jotta tällä tavalla "neutraloidut" ionit eivät vedä takaisin alukseen.

Ionimoottorin toimimiseen tarvitaan vain kaksi asiaa - kaasu ja sähkö. Ensimmäisen kanssa kaikki on hyvin, syksyllä 2007 laukaisuun asetetun amerikkalaisen planeettojenvälisen ajoneuvon Dawnin moottori tarvitsee lennolle vain 425 kiloa ksenonia lähes 6 vuoden ajan. Vertailun vuoksi ISS:n kiertoradan korjaamiseksi tavanomaisella tavalla rakettimoottorit Polttoainetta kuluu 7,5 tonnia vuodessa.

Yksi asia on huono - ionimoottoreilla on erittäin alhainen työntövoima, luokkaa 50-100 millinewtonia, mikä on täysin riittämätön maan ilmakehässä liikkuessa. Mutta avaruudessa, jossa ei käytännössä ole vastusta, ionimoottori voi saavuttaa merkittäviä nopeuksia pitkäaikaisen kiihdytyksen aikana. Kokonaisnopeuden lisäys Dawn-operaation aikana on noin 10 kilometriä sekunnissa.

Deep Space Ion Drive -testi

Amerikkalaisen Ad Astra Rocketin äskettäiset testit, jotka suoritettiin tyhjiökammiossa, ovat osoittaneet, että heidän uusi Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket VASIMR VX-200 voi tuottaa vain 5 newtonin työntövoiman.

Toinen asia on sähkö. Sama VX-200 kuluttaa 201 kW tehoa. Aurinkopaneelit eivät yksinkertaisesti riitä tällaiseen moottoriin. Siksi on välttämätöntä keksiä uusia tapoja saada energiaa avaruudessa. Tässä on kaksi tapaa - tankatut akut, kuten tritium, jotka laitetaan kiertoradalle yhdessä aluksen kanssa, tai autonominen ydinreaktori, joka antaa virtaa alukselle koko lennon ajan.

Vuonna 2006 Euroopan avaruusjärjestö ja Australian kansallinen yliopisto testasivat onnistuneesti uuden sukupolven avaruusionimoottoreita, jotka saavuttivat ennätystasot.

Moottorit, joissa varautuneita hiukkasia kiihdytetään sähkökentässä, ovat olleet tunnettuja jo pitkään. Niitä käytetään orientaatioon, kiertoradan korjaukseen joissakin satelliiteissa ja planeettojenvälisissä ajoneuvoissa sekä useissa avaruusprojekteissa (sekä jo toteutetuissa että vasta suunnitteilla - lue ja) - jopa marssiprojekteina.

Asiantuntijat yhdistävät heihin aurinkokunnan jatkokehityksen. Ja vaikka kaikki niin sanotut sähkörakettimoottorit ovat maksimityöntövoimaltaan paljon huonompia kuin kemialliset (grammaa vs. kilot ja tonnit), ne ylittävät ne radikaalisti tehokkuudessa (polttoaineenkulutus per gramma työntövoimaa sekunnissa). Ja tämä tehokkuus (ominaisimpulssi) on suoraan verrannollinen ulostyönnetyn suihkun nopeuteen.

Joten kokeellisessa moottorissa nimeltä "Two-Stage 4-Grid" (Dual-Stage 4-Grid - DS4G), joka rakennettiin ESA-sopimuksen mukaisesti Australiassa, tämä nopeus saavutti ennätysnopeuden 210 kilometriä sekunnissa.

Tämä on esimerkiksi 60 kertaa korkeampi kuin hyvien kemiallisten moottoreiden pakokaasun nopeus ja 4-10 kertaa suurempi kuin aikaisemmissa "ionimoottoreissa".

Kuten kehitystyön nimestä käy ilmi, tällainen nopeus saavutettiin kaksivaiheisella ionien kiihdyttämisprosessilla käyttämällä neljää peräkkäistä hilaa (perinteisen yksivaiheisen ja kolmen hilan sijaan) sekä korkealla 30 kilovoltin jännitteellä. . Lisäksi lähdön reaktiivisen säteen hajoaminen oli vain 3 astetta verrattuna aikaisempien järjestelmien noin 15 asteeseen.

Ja tässä viime päivien tiedot.

Ionimoottori (ID) toimii yksinkertaisesti: säiliöstä tuleva kaasu (ksenon, argon jne.) ionisoituu ja kiihtyy sähköstaattisen kentän vaikutuksesta. Koska ionin massa on pieni ja se voi vastaanottaa merkittävän varauksen, ionit poistuvat moottorista jopa 210 km/s nopeuksilla. Kemiallisilla moottoreilla voidaan saavuttaa ... ei, ei jotain sellaista, mutta vain kaksikymmentä kertaa vähemmän kuin palamistuotteiden poistonopeus vain poikkeustapauksissa. Näin ollen kaasun kulutus verrattuna kemiallisen polttoaineen kulutukseen on erittäin alhainen.

Tästä syystä tällaiset "pitkän kantaman" luotaimet, kuten Hayabusa, Deep Space One ja Dawn, ovat toimineet ID:ssä kokonaan tai osittain. Ja jos aiot paitsi lentää kaukaisille taivaankappaleille hitaudella, myös liikkua aktiivisesti niiden lähellä, et voi tehdä ilman tällaisia ​​moottoreita.

Vuonna 2014 ionimoottorit juhlivat 50-vuotisjuhliaan avaruudessa. Koko tämän ajan eroosion ongelmaa ei voitu ratkaista edes ensimmäisessä likimäärässä. (Tässä ja alla kuvat. NASA, Wikimedia Commons.)

Kuten kaikki hyvät asiat, ID rakastaa saamaan virtaa: yksi newtonin työntövoima vaatii jopa 25 kW energiaa. Kuvitellaan, että meidät määrättiin laukaisemaan 100 tonnin avaruusalus Plutolle (annatte meille anteeksi unelmoimisen!). Ihannetapauksessa jopa Jupiterille tarvitsemme 1000 newtonia työntövoimaa ja 10 kuukautta, ja Neptunukselle samalla työntövoimalla - puolitoista vuotta. Yleisesti ottaen älkäämme puhuko Plutosta, muuten se on jotenkin surullista ...

No, saadaksemme nämä toistaiseksi spekulatiiviset 1 000 newtonia, tarvitsemme 25 megawattia. Periaatteessa mikään ei ole teknisesti mahdotonta - 100 tonnin laiva voisi hyväksyä ydinreaktorin. Muuten, NASA ja Yhdysvaltain energiaministeriö työskentelevät parhaillaan Fission Surface Power -projektin parissa. Totta, puhumme Kuun ja Marsin tukikohdista, emme aluksista. Mutta reaktorin massa ei ole niin suuri - vain viisi tonnia, mitat 3 × 3 × 7 m ...

No, okei, olet unelmoinut ja se riittää, sanot ja muistat heti sen paskan, jonka Leo Tolstoi väitti keksimään Krimin sodan aikana. Loppujen lopuksi niin suuri moottorin läpi kulkeva ionivirta (ja tämä on keskeinen este) aiheuttaa sen eroosion, ja paljon nopeammin kuin kymmenen kuukauden tai puolentoista vuoden kuluttua. Lisäksi tämä ei ole rakennemateriaalin valinnan ongelma - onneksi sekä titaani että timantti tuhoutuvat sellaisissa olosuhteissa - vaan olennainen osa ionimoottorin rakennetta sinänsä.

Perustuu Gizmagin materiaaleihin. ja http://lab-37.com

Tiedätkö mikä on aktiivista Venäjällä?työskentelee ydinrakettimoottorin parissatai esimerkiksi noin
mitä pian saattaa ilmetä

Suurin ongelma ulkoavaruuden tutkimisessa ovat ihmiskunnan kehittämien lentokoneiden äärimmäisen alhaiset nopeudet. Nykyaikaisella kehityksellä on myös valtava polttoaineenkulutus. Siten, jos rakennat raketin ja laukaisit sen esimerkiksi Marsiin ja takaisin, laivasta tulee vain valtava. Ja suurin osa siitä on polttoaineen varassa. Marsiin laskeutuminen vaatii noin miljardi tonnia korkealaatuista rakettipolttoainetta. Onneksi tällainen nykyaikainen tiedemiesten kehitys, kuten ionimoottori, pystyy ratkaisemaan tämän ongelman lähitulevaisuudessa. Teoriassa se voi kiihtyä kahteen sataan kilometriin sekunnissa. Tärkeimmät edut ovat valtavat kehittyneet nopeudet ja pieni polttoaineen määrä. Yksikkö, kuten ionimoottori, vaatii toimiakseen vain sähköä ja inerttiä kaasua. Siinä on kuitenkin myös joitain haittoja, esimerkiksi heikko kiihtyvyysnopeus. Tämä saa ajattelemaan monia ongelmia, jotka liittyvät moottorin käyttöön painovoimakenttien läsnä ollessa.

Ionimoottori: toimintaperiaate

Korkean jännitteen vuoksi kaasu ionisoidaan erityisessä kammiossa. Tämän seurauksena kaasu-ioneja alkaa sinkoutua pois kammiosta ja luoda työntövoimaa. Koska tämä on kuitenkin ketjureaktio ja työntövoima kasvaa hyvin hitaasti ja vähitellen, kestää noin kuusi kuukautta kiihtyä kahteen sataan kilometriin sekunnissa. Jarrutus kestää suunnilleen saman ajan. Toisaalta nämä luvut ovat objektiivisesti katsottuna hyvin pieniä verrattuna nykyaikaisiin avaruusmoottoreihin, joissa samanlaatuisten tulosten saavuttamiseen tarvittaisiin kaksikymmentä kertaa enemmän aikaa. Lisäksi inertti kaasu kestää satoja kertoja vähemmän tilaa kuin rakettien polttoaine. Ainoa vaikeasti ratkaistava ongelma on sähkön saatavuus. Aurinkopaneelit eivät yksinkertaisesti riitä käyttämään laitteita, kuten ionipotkurit, joten ydinreaktori on todennäköinen.

Toinen haittapuoli on alhainen ohjattavuus. Myös pääongelma on painovoiman ongelma. Kun moottori on ollut maan päällä, se ei yksinkertaisesti käy. Toisaalta avoimen tilan olosuhteissa sellaiselle laitteelle ei ole analogeja ionimoottorina.

Hieman historiaa ja perspektiiviä

Tieteiskirjallisuudessa tällaisia ​​laitteita kohdattiin melko usein. Kuitenkin vasta vuonna 1960 ionimoottori luotiin omin käsin (tai pikemminkin NASAn tutkijoiden käsin). Sitä kutsuttiin laajasäteiseksi sähköstaattiseksi laitteeksi. Jo 70-luvun alussa elohopeasähköstaattisia moottoreita testattiin ulkoavaruudessa.

1970-luvun lopulla Hall-ilmiögeneraattoreita käytettiin Neuvostoliitossa. Päämoottorina ionia käytettiin amerikkalaisessa avaruusaluksessa vuonna 1998. Sitä seurasi eurooppalainen luotain, japanilainen avaruusalus, vuonna 2003. Tänään NASA kehittää kuuluisaa Prometheus-projektia. Hänelle rakennetaan supertehokasta ionimoottoria, joka saa voimansa ydinreaktorista.

NASA on saanut päätökseen ionisoidun kaasun propulsiojärjestelmän testauksen, joka aloitettiin kesäkuussa 2005. Nyt sitä voidaan käyttää avaruusalusten varustamiseen, mikä kiihdyttää niitä ennennäkemättömiin nopeuksiin.

Uuden sukupolven ksenonmoottoria testataan. (Kuva NASA.)

Tieteiskirjallisuudessa usein esiteltyjä ionipotkurit on otettu käyttöön käytännössä 1970-luvulta lähtien. Työntövoima niissä syntyy ionisoidun kaasun kiihtymisestä sähköstaattisessa kentässä.

Tällaisten propulsiojärjestelmien etuna perinteisiin kemiallisiin ratkaisuihin verrattuna on niiden korkea hyötysuhde, nimittäin kyky kiihdyttää laite kymmeniin kilometreihin sekunnissa pienellä polttoaineenkulutuksella. Totta, tämä tapahtuu jo ulkoavaruudessa ionimoottorin pitkäaikaisen käytön aikana: sen käynnistysvoima on pieni. Siksi tätä järjestelmää alettiin käyttää avaruusalusta kuljettavana pääjärjestelmänä melko äskettäin.

Amerikkalainen laite Deep Space 1, joka lanseerattiin vuonna 1998, tuli ioniliikkeen edelläkävijäksi. Sitä seurasivat Euroopan ja Japanin luotain ja viimeinen suuri projekti Nykyään siitä on tullut automaattinen planeettojen välinen asema Dawn, jonka NASA on lähettänyt tutkimaan asteroidia Vestaa ja kääpiöplaneetta Ceres.

Dawn-ionimoottorista tuli malli NASAn Evolutionary Xenon Thrusterille (NEXT).Glenn Research Centerin ja Aerojetin kehittäjät ovat mallintaneet erilaisia ​​tehtäviä, joissa tällaista propulsiojärjestelmää voidaan käyttää.

Vuodesta 2005 lähtien NEXT on työskennellyt 35,5 tuhatta tuntia, mikä on 5 tuhatta enemmän kuin edellinen ennätys. Kokeisiin käytettiin 600 kg ksenonia. Testimallien perusteella insinöörit ovat suunnitelleet propulsiojärjestelmän useista ionimoottoreista, joiden käyttöikä tulee yli 6 vuotta, ja nyt NASA voi vain valita, missä tehtävissä kehitystä on mukavampi ohjata. Ehkä tässä on hyödyllinen Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian seuraavan vuosikymmenen avaruusohjelma?

Lähde: Computerra-Online

Ionimoottori

Ionimoottori on eräänlainen sähköinen rakettimoottori. Sen käyttöneste on ionisoitua kaasua (argon, ksenon, cesium ...).

Toimintaperiaate

Moottorin toimintaperiaate koostuu kaasun ionisoinnista ja sen kiihdyttämisestä sähköstaattisen kentän vaikutuksesta. Samanaikaisesti korkean varaus-massa-suhteen ansiosta on mahdollista kiihdyttää ioneja erittäin suuriin nopeuksiin (jopa 210 km / s verrattuna kemiallisten rakettimoottoreiden 3-4,5 km / s). Siten ionimoottorissa voidaan saavuttaa erittäin korkea ominaisimpulssi. Tämä mahdollistaa ionisoidun kaasun reaktiivisen massan kulutuksen vähentämisen merkittävästi verrattuna reaktiivisen massan kulutukseen kemiallisissa raketteissa, mutta se vaatii suuria energiakustannuksia. Moottorin haittana sen nykyisissä toteutuksissa on erittäin heikko työntövoima (newtonin kymmenesosien luokkaa). Näin ollen planeetalta laukaisussa ei ole mahdollista käyttää ionimoottoria, mutta toisaalta avoimessa avaruudessa moottorin riittävän pitkällä toiminnalla on mahdollista kiihdyttää avaruusalus nopeuksille, joihin nyt ei pääse käsiksi. millekään muulle olemassa olevia lajeja moottorit.

Nykyisissä toteutuksissa käytetään aurinkopaneeleja moottorin toiminnan tukemiseen. Mutta syvässä avaruudessa työskennellessä tätä menetelmää ei voida hyväksyä. Siksi tähänkin tarkoitukseen käytetään joskus ydinlaitoksia.

Ionimoottorin periaate on ollut tiedossa pitkään ja se on laajalti edustettuna tieteiskirjallisuudessa, tietokonepeleissä ja elokuvissa, mutta astronautiikassa se on tullut saataville vasta äskettäin.
Vuonna 1960 rakennettiin ensimmäinen toimiva laajasäteinen sähköstaattinen moottori (luotu USA:ssa NASA Lewis Research Centerissä). Vuonna 1964 - ensimmäinen onnistunut suborbitaalisen ionipotkurien esittely (SERT I) -testi ionisäteen neutraloinnin toteutettavuudesta avaruudessa.

1970 - testi pitkä työ elohopea-ioni sähköstaattiset potkurit avaruudessa (SERT II). Hall-ilmiöpotkurit on käytetty Neuvostoliitossa navigointipotkureina 1970-luvulta lähtien (SPT-60-moottoreita käytettiin 1970-luvulla Meteoralla, SPT-70-moottoreita Kosmos- ja Luch-satelliiteilla 1980-luvulla, SPT-100 useissa satelliitit 1990-luvulla).

Päämoottorina (ylläpito) ionimoottoria käytettiin ensimmäisen kerran Deep Space 1 -avaruusaluksessa (moottorin ensimmäinen laukaisu 10. marraskuuta 1998). Seuraavat avaruusalukset olivat eurooppalainen kuuluotain Smart-1, joka laukaistiin 28. syyskuuta 2003, ja japanilainen Hayabusa-avaruusalus, joka laukaistiin asteroidille toukokuussa 2003.

Seuraava NASAn risteily-ionimoottoreilla varustettu avaruusalus oli (sarjan jäädytysten ja työn jatkamisen jälkeen) AMC Dawn, joka laukaistiin 27. syyskuuta 2007. Dawn on tarkoitettu tutkimaan Vestaa ja Ceresiä, ja sillä on kolme NSTAR-moottoria, jotka on testattu menestyksekkäästi Deep Space 1:ssä.
Euroopan avaruusjärjestö on asentanut ionimoottorin GOCE-satelliittiin, joka laukaistiin 17. maaliskuuta 2009 erittäin matalalle maapallon kiertoradalle, jonka korkeus on vain noin 260 km. Ionimoottori tuottaa jatkuvasti impulssia, joka kompensoi ilmakehän kitkaa ja muita satelliittiin kohdistuvia ei-gravitaatiovaikutuksia.

Näkökulmat

ESA aikoo käyttää ionikäyttöä BepiColombo Mercury -tehtävässä. Se perustuu Smart-1:een perustuvaan moottoriin, mutta on tehokkaampi (käynnistetään vuosina 2011-2012).
NASA johtaa Prometheus-projektia, jota varten kehitetään tehokasta ionimoottoria, joka saa voimansa laivalla sijaitsevasta ydinreaktorista saatavalla sähköllä. Oletetaan, että sellaiset kahdeksan kappaleen moottorit pystyvät kiihdyttämään laitteen nopeuteen 90 km / s. Tämän projektin ensimmäinen laite, Jupiter Icy Moons Explorer, oli tarkoitus lähettää Jupiteriin vuonna 2017, mutta tämän laitteen kehitys keskeytettiin vuonna 2005 teknisten ongelmien vuoksi. Tällä hetkellä etsitään yksinkertaisempaa AMC-projektia ensimmäistä testiä varten Prometheus-ohjelman puitteissa.

Artikkeli tietokoneessa
Ydinreaktorien käytöstä ionimoottoreissa (Membrana.ru)
BepiColombo ESAn verkkosivuilla
Projekti "Prometheus" NASAn verkkosivuilla
Ionimoottorilla varustettu AMC Dawn lanseerattiin 25. syyskuuta 2007.

Fotoni- ja ionimoottorit

Fiktiosta todellisuuteen

PHOTON ENGINE - suihkumoottori, jonka työntövoima syntyy sähkömagneettisen säteilyn kvanttien tai fotonien ulosvirtauksesta. Tällaisen moottorin tärkein etu on suurin mahdollinen ulosvirtausnopeus relativistisen mekaniikan puitteissa, sama nopeus valoa tyhjiössä. Rakettiajoneuvolla tämä on ainoa laajalti tunnettu tapa saavuttaa mikä tahansa merkittävä osa valon nopeudesta Tsiolkovsky-luvun kohtuullisilla arvoilla, jotka kuvaavat ladatun ja tyhjän raketin massojen suhdetta. On kuitenkin huomattava, että tässäkin tapauksessa puhutaan useiden kymmenien - satojen luokkaa olevasta Z-luvusta, ja monivaiheisten ohjusten teknisesti toteutetut arvot ovat luokkaa 10. Fotonimoottorin suurin haittapuoli on energian muunnosketjun alhainen hyötysuhde primäärilähteestä fotonisuihkuun. Annihilaatioreaktion käyttö optisten ja gamma-kvanttien tuottamiseen suoraan ei vähennä ongelman vakavuutta, koska on tarpeen ottaa huomioon antimateriaalin varastoinnin menetys (puhumattakaan sen tuotannosta) ja vaikeus. kohdistamalla tuloksena oleva säteily. Lisäksi termoydinplasman käyttöä fotonien lähteenä (mukaan lukien lasersäteilyn tuottamiseen) ja pidemmän aallonpituusalueen sähkömagneettisten kvanttien ("radiomoottori") käyttöä pidettiin realistisempana. Ensimmäisessä tapauksessa vaaditut parametrit stabiilissa tilassa olevan plasman tuottamiseen ja ylläpitoon liittyvät ongelmat jäävät ratkaisematta. "Radiomoottori" yksinkertaistaa huomattavasti "suihkuvirran" fokusointia, mutta vähentää jyrkästi propulsiojärjestelmän tehokkuutta.

Photon Engine: Space Breakout

Pölypäästön vaikutus valosäteilyn vaikutuksesta luo mielenkiintoisen ja lupaavan tyyppisen avaruuspropulsiojärjestelmän lennoille aurinkokunnan muille planeetoille. Altistuessaan valolle ja lämmölle pölyhiukkaset uhmaavat painovoimaa ja ryntäävät ylöspäin. Tätä planeettojen ja asteroidien muodostumisessa tärkeätä vaikutusta voi käyttää myös pölynpoistolaitteissa, Marsin luotain moottoreissa ja uudentyyppisten avaruuspurjeiden luomisessa.
Kun pölykerros altistetaan punaiselle lasersäteilylle, havaitaan vulkaaninen hiukkaspäästö, joka muistuttaa pienen tulivuoren purkausta. Tutkittuaan tätä ilmiötä perusteellisesti tutkijat Gerhard Wurm ja Oliver Krauss Münsterin yliopistosta tulivat siihen tulokseen, että sen esiintyminen liittyy valoforeesiin ja "kasvihuoneilmiöön" kiintoaineissa, raportoi PhysOrg.
Fotoforeesi - eli hiukkasten liike valon vaikutuksesta - perustuu pitkään tunnettuun ilmiöön, jota kutsutaan termoforeesiksi, eli hiukkasten liikkumiseen lämmön vaikutuksen alaisena. Ympäristöissä, joissa on lämpötilagradientteja, hiukkaset siirtyvät kuumemmalta alueelta viileämmälle. Kun absorboituneen valon energiaa käytetään lämmönlähteenä, tätä prosessia kutsutaan fotoforeesiksi.

Fotonimoottori on moottori, jonka työntövoima syntyy e / magneettisen säteilyn kvanttien tai fotonien ulosvirtauksesta. Grafiittijauhehiukkasten irtoaminen (inset - lasimaisten hiilihiukkasten "purkaus").
Onko fotonimoottori todellisuutta?

Pintalämpötilagradientin lisäksi kiinteän aineen "kasvihuoneilmiö" vaikuttaa pölynpurkauksiin. Kasvihuoneilmiö syntyy siitä, että lasersäde lämmittää pintakerroksia hieman syvemmällä olevat pölyhiukkaset (vähintään 100 μm:n syvyydessä, mikä on useita kymmeniä hiukkaskerroksia).
Tutkijat ovat laskeneet, että yhden 1 mikronin kokoisen pallomaisen hiukkasen vapauttamiseen tarvitaan noin 10-7 N:n voima. ”Huomasimme, että hiukkaset nousevat keskimäärin 5 cm:n korkeuteen”, tohtori Wurm sanoo. ”Korkeus voi olla nostaa 10 cm:iin. , mutta tämä ei ole raja. Raja riippuu luultavasti hiukkasten jakautumisesta ja koosta, niiden keskinäisen adheesion voimakkuudesta ja lasersäteen tehosta."
50 mW:n teholla säteily tunkeutuu pölykerroksen läpi useiden millimetrien syvyyteen. Lämpötila pyrkii laskemaan syvyyden kasvaessa, mutta itse asiassa se saavuttaa maksiminsa ei pinnan lähellä, vaan 100 mikronin syvyydessä. Siten pinnan lähelle syntyy käänteinen lämpötilagradientti, joka aiheuttaa pölyhiukkasten purkauksen. Kokeiden aikana havaittiin myös, että muutamassa kymmenessä sekunnissa laserin sammuttamisen jälkeen maksimilämpötilagradientin piste sekoittuu syvemmälle pinnan nopean jäähtymisen vuoksi, mikä lisää fotoforeesin tehoa entisestään.
Valoforeesi havaitaan parhaiten matalassa paineessa. Kokeet suoritettiin 10 millibaarin paineessa, mikä on noin 0,01 maapallon normaalista ilmanpaineesta, joten fotoforeesin vaikutus pölyyn on merkityksetön. Planeettojen ja tähtien muodostumisen alkuvaiheessa fotoforeesilla matalissa paineissa oli kuitenkin todennäköisesti merkittävä rooli kaasu- ja pölykiekkojen muodostumisessa, mikä puolestaan ​​johti asteroidien ja muiden avaruusobjektien muodostumiseen Kuiperin vyöhykkeelle.
Tutkijat uskovat, että valoforeesi voi tulevaisuudessa löytää käytännöllistä käyttöä Marsin harvinaisessa ilmakehässä. Tätä tekniikkaa voidaan käyttää esimerkiksi automatisoiduissa tutkimusasemissa pölyn poistamiseen aurinkokennokokoonpanoista ja optisten instrumenttien linsseistä. Lisäksi tutkijat suunnittelevat aurinkopurjeen luomista, joka käyttäisi fotoforeesia säteilypaineen sijaan. Tällainen kalaverkkoa muistuttava purje, joka toimii negatiivisen fotoforeesin perusteella, voi fyysikkojen mukaan ajaa pieniä luotain. 10x10 m purje pystyy kantamaan useita kymmeniä kiloja painavan hyötykuorman vain Auringon "passiivisen" säteilyn ansiosta.

Ionimoottori: läpimurto avaruudessa

ION ENGINE - lauantaina 30.09.2003 Kurun kosmodromista Euroopan avaruusjärjestön SMART 1 -tutkimusasema laukaistiin onnistuneesti avaruuteen kantoraketti Ariane 5. Satelliitti loi ESAn (European Space Agency) tilauksesta ruotsalainen. Space Corporation, johon osallistuu lähes 30 alihankkijaa 11 Euroopan maasta ja Yhdysvalloista. Hankkeen kokonaiskustannukset olivat 110 miljoonaa euroa.
SMART 1 on ESAn ensimmäinen robotti kuututkimusasema. Samalla se on ainutlaatuinen uudentyyppinen tutkimusasema, ensimmäinen uusi ohjelma ESA:n nimellä Small Missions for Advanced Research in Technology. Ohjelman aikana on tarkoitus testata useita uusia teknologioita, esimerkiksi viestintää Ka-kaistalla ja laserviestintää, autonomista navigointia ja paljon muuta.
Riittävän suurella määrällä laitteita SMART 1 erottuu alhaisesta painostaan ​​(370 kg, mukaan lukien tieteelliset laitteet - 19 kg) ja kompaktisuudestaan. Aurinkopaneelit taitettuna se on metrin kokoinen suorakulmio. SMART 1:n hinta on noin viisi kertaa pienempi kuin tyypillisen ESAn planeettojen välisen aseman. Mutta uuden avaruusaluksen tärkein ominaisuus on, että ensimmäistä kertaa astronautiikan historiassa ionimoottoria käytetään päämoottorina. ESA suunnittelee saavansa vielä kaksi ionipropulsiojärjestelmällä varustettua avaruusalusta. Nämä ovat BepiColombo Merkuriuksen tutkimukseen ja Solar Orbiter Auringon tutkimiseen.
SMART 1:een asennettu ionimoottori kuluttaa 1350 wattia aurinkopaneelien tuottamaa sähköä ja kehittää 0,07 newtonia, mikä vastaa noin postikortin painoa. Käyttöaine on ksenoni (polttoainekapasiteetti 82 kg). Samaan aikaan kesti 16 kuukautta ennen kuin asema pääsi elliptiselle naparadalle Kuun ympäri. SMART 1:n asettaminen lasketulle kiertoradalle oli monimutkainen monivaiheinen prosessi, joka koostui vaiheista.

Tarkkaan ottaen ionipotkurit on jo asennettu avaruusaluksiin - viime vuosina erityisesti NASAn Deep Space 1 (DS 1) -tutkimusasemalle ja ESA Artemis -kokeelliselle geostationaariselle viestintäsatelliitille. Jälkimmäisessä tapauksessa aluksella olevien ionimoottoreiden ansiosta oli mahdollista pelastaa satelliitti, joka näytti olevan täysin kadonnut, miljoonien dollareiden hintaan.
Artemis-satelliitin kiertoradalle laukaisevan Ariane 5 -kantoraketin ylemmän vaiheen epänormaali toiminta johti siihen, että Artemis-kiertorata oli merkittävästi laskettua alhaisempi. Tämä johtaa yleensä satelliitin katoamiseen. Jos se on uhka muille avaruusaluksille, se hukkuu (raskaat ajoneuvot) tai "poltetaan" ilmakehään. Mutta Artemis pakeni tätä surullista kohtaloa.
Kiireellisten toimenpiteiden ansiosta ja käytännössä koko kemiallisen polttoainevaraston kulutuksen kustannuksella satelliitti siirrettiin ympyräradalle, jonka korkeus oli 31 tuhatta km. Mutta sen jälkeen oli tarpeen siirtää Artemis laskettuun geostationaariseen (noin 36 tuhatta km korkea). Sitten alukseen päätettiin käyttää neljää pareittain asennettua ionimoottoria. Ne oli alun perin tarkoitettu ohjaamaan satelliitin suuntaa (kallistus). Siirtymän suorittamiseksi moottoreiden työntövoimavektori suunnattiin kohtisuoraan ratatasoon nähden. Mutta avaruusaluksen pelastamiseksi oli tarpeen antaa impulssi kiertoradan tasolle ja siten siirtää se korkeammalle geostationaariselle kiertoradalle. Artemis oli käännettävä 90 astetta normaalista asennostaan.
Monimutkaisin pelastusoperaatio vaati uuden toimintastrategian, satelliitin uusien ohjaustapojen ja aluksen laitteiden toiminnan "lennossa" kehittämistä. Oli tarpeen muokata 20 % kaikista laivan ohjelmistoista. Operaatio oli kuitenkin erittäin onnistunut. Sen monimutkaisuudesta osoittaa se tosiasia, että vain uudelleenohjelmointiin sisäinen järjestelmä ohjausta, vaadittiin ladattavaksi muunnetut ohjelmistolohkot, joiden kokonaismäärä oli 15 tuhatta sanaa Maasta. Se oli suurin operaatio televiestintäsatelliitin uudelleenohjelmoimiseksi Maasta.
Vaatimattomasta työntövoimasta (vain 15 miliwtonia) huolimatta Artemis alkoi "kiivetä" lasketulle kiertoradalle kiipeäen 15 km päivässä. Koko pelastusoperaatio kesti 18 kuukautta. 31. tammikuuta 2003 Artemis oli täsmälleen siinä missä sen olisi pitänyt olla puolitoista vuotta sitten. Maailman ensimmäinen pelastusoperaatio, jonka lopputulos riippui täysin ionimoottorien luotettavuudesta ja ihmisten koordinoidusta toiminnasta maan päällä, onnistui. Toivottomasti kadonnut satelliitti aloitti normaalin toimintansa.

SMART 1 -päämoottorin rakenne eroaa merkittävästi DS 1:een ja Artemikseen asennetuista moottoreista. Kahdessa jälkimmäisessä laitteessa ionien kiihdyttämiseen käytettiin ristikkoa, jossa oli potentiaalia (ns. gridded ion engine). Sitä vastoin SMART 1 on varustettu Hall-ionimoottorilla, joka eroaa huomattavasti rakenteeltaan. Hall-ilmiömoottorien tärkeä etu on hilan puuttuminen, jota jatkuvasti pommittavat korkeaenergiset ionit, minkä seurauksena sen nopea hajoaminen tapahtuu. Mitä tulee erityyppisten ionimoottoreiden muihin ominaisuuksiin, tilanne ei vaikuta niin ilmeiseltä. Yleensä säleikköllä varustetut moottorit tuottavat korkeamman ominaisimpulssin ja käyttävät noin puolet polttoaineesta (työnesteestä) kuin Hall-moottorit. Tässä tapauksessa Hall-moottorit mahdollistavat kuitenkin korkean ominaistyöntövoiman kehittämisen samalla tehonkulutuksella. Molemmilla malleilla on hyvät ja huonot puolensa, ja edullisen vaihtoehdon valinta riippuu kussakin tapauksessa laitteen tehtävien luonteesta ja sen energiakapasiteetista.

Nykyaikaiset rakettimoottorit tekevät hyvää työtä teknologian saattamisessa kiertoradalle, mutta ne ovat täysin sopimattomia pitkille avaruusmatkoille. Siksi tutkijat ovat yli kymmenen vuoden ajan työskennelleet vaihtoehtoisten avaruusmoottoreiden luomiseksi, jotka voisivat kiihdyttää laivoja ennätysnopeuksiin. Katsotaanpa seitsemää tämän alueen keskeistä ideaa.

Emdrive

Liikkuaksesi sinun täytyy työntää pois jostakin - tätä sääntöä pidetään yhtenä fysiikan ja astronautiikan horjumattomista pilareista. Ei ole niin tärkeää, mistä tarkalleen aloittaa - maasta, vedestä, ilmasta tai kaasusuihkusta, kuten rakettimoottoreiden tapauksessa.

Tunnettu ajatuskoe: kuvittele, että astronautti meni ulkoavaruuteen, mutta hänet avaruusalukseen yhdistävä kaapeli katkesi yhtäkkiä ja henkilö alkaa hitaasti lentää pois. Hänellä on vain työkalupakki. Mitkä ovat hänen tekonsa? Oikea vastaus: hänen täytyy heittää työkalut pois aluksesta. Liikemäärän säilymislain mukaan ihminen heitetään pois instrumentista täsmälleen samalla voimalla kuin instrumentti ihmisestä, joten hän siirtyy vähitellen laivaa kohti. Tämä on suihkun työntövoima - ainoa mahdollinen tapa liikkua tyhjässä ulkoavaruudessa. Totta, kuten kokeet osoittavat, EmDrivella on mahdollisuuksia kumota tämä horjumaton lausunto.

Tämän moottorin luoja on brittiläinen insinööri Roger Shaer, joka perusti oman yrityksensä Satellite Propulsion Researchin vuonna 2001. EmDriven muotoilu on varsin ylellistä ja se on muodoltaan metallinen ämpäri, joka on suljettu molemmista päistä. Tämän ämpärin sisällä on magnetroni, joka lähettää sähkömagneettisia aaltoja - samaa kuin perinteisessä mikroaaltouunissa. Ja se osoittautuu riittäväksi luomaan hyvin pienen, mutta melko havaittavan työntövoiman.

Kirjoittaja itse selittää moottorinsa toiminnan sähkömagneettisen säteilyn paine-eron kautta "ämpäri" eri päissä - kapeassa päässä se on pienempi kuin leveässä. Tämä luo kapeaa päätä kohti suunnatun työntövoiman. Mahdollisuus tällaiseen moottorin toimintaan on kyseenalaistettu useammin kuin kerran, mutta kaikissa kokeissa Shaer-asennus osoittaa työntövoiman olemassaolon aiottuun suuntaan.

Schaerin ämpäriä kokeilleita kokeilijoita ovat muun muassa NASA, Dresdenin tekninen yliopisto ja Kiinan tiedeakatemia. Keksintöä testattiin erilaisissa olosuhteissa, mukaan lukien tyhjiössä, jossa se osoitti 20 mikronewtonin työntövoiman olemassaolon.

Tämä on hyvin vähän verrattuna kemiallisiin suihkumoottoreihin. Mutta koska Shaer-moottori voi toimia niin kauan kuin haluat, koska se ei tarvitse polttoainetta (aurinkoparistot voivat tarjota magnetronin toimimaan), se voi mahdollisesti kiihdyttää avaruusaluksia valtaviin nopeuksiin prosentteina mitattuna. valon nopeudesta.

Moottorin suorituskyvyn täydelliseksi todistamiseksi on suoritettava paljon enemmän mittauksia ja päästävä eroon sivuvaikutuksista, joita esimerkiksi ulkoiset magneettikentät voivat aiheuttaa. Vaihtoehtoisia mahdollisia selityksiä Shaer-moottorin epänormaalille työntövoimalle esitetään kuitenkin jo, mikä yleensä rikkoo tavanomaisia ​​fysiikan lakeja.

Esitellään esimerkiksi versioita, että moottori voi luoda työntövoimaa vuorovaikutuksensa ansiosta fyysisen tyhjiön kanssa, jonka energia kvanttitasolla on nollasta poikkeava ja täynnä jatkuvasti esiin tulevia ja katoavia virtuaalisia alkuainehiukkasia. Kuka on lopulta oikeassa - tämän teorian kirjoittajat, Shaer itse vai muut skeptikot - selviämme lähitulevaisuudessa.

Aurinkopurje

Kuten edellä mainittiin, sähkömagneettinen säteily aiheuttaa painetta. Tämä tarkoittaa, että teoriassa se voidaan muuntaa liikkeeksi - esimerkiksi purjeen avulla. Aivan kuten menneiden vuosisatojen laivat saivat tuulen purjeisiinsa, tulevaisuuden avaruusalus nappaisi auringonvaloa tai mitä tahansa muuta tähtivaloa purjeisiinsa.

Ongelmana on kuitenkin se, että valon paine on erittäin pieni ja laskee etäisyyden kasvaessa lähteestä. Siksi ollakseen tehokas sellaisen purjeen on oltava painoltaan erittäin kevyt ja pinta-alaltaan erittäin suuri. Ja tämä lisää koko rakenteen tuhoutumisvaaraa, kun se kohtaa asteroidin tai muun esineen.

Aurinkopurjelaivojen rakentamista ja laukaisua avaruuteen on jo yritetty - vuonna 1993 Venäjä testasi aurinkopurjetta Progress-avaruusaluksella, ja vuonna 2010 Japani teki onnistuneita testejä matkallaan Venukseen. Mutta yksikään laiva ei ole koskaan käyttänyt purjetta ensisijaisena kiihdytyksen lähteenä. Toinen projekti, sähköpurje, näyttää tässä suhteessa hieman lupaavammalta.

Sähköpurje

Aurinko ei lähetä vain fotoneja, vaan myös sähköisesti varautuneita ainehiukkasia: elektroneja, protoneja ja ioneja. Ne kaikki muodostavat niin sanotun aurinkotuulen, joka kuljettaa pois auringon pinnalta noin miljoona tonnia ainetta sekunnissa.

Aurinkotuuli leviää miljardeille kilometreille ja on vastuussa joistakin planeettamme luonnonilmiöistä: geomagneettisista myrskyistä ja revontulista. Maata suojaa aurinkotuulelta oma magneettikenttä.

Aurinkotuuli, kuten ilmatuuli, on varsin sopiva matkustamiseen, sinun tarvitsee vain saada se puhaltamaan purjeisiin. Suomalaisen tiedemiehen Pekka Janhusen vuonna 2006 luomalla sähköpurjeprojektilla on ulkoisesti vähän yhteistä aurinkopurjeen kanssa. Tämä moottori koostuu useista pitkistä, ohuista kaapeleista, jotka ovat samankaltaisia ​​kuin vanteeton pyörän pinnat.

Ajosuuntaa vastaan ​​säteilevän elektronitykin ansiosta nämä kaapelit saavat positiivisen varautuneen potentiaalin. Koska elektronin massa on noin 1800 kertaa pienempi kuin protonin massa, elektronien luomalla työntövoimalla ei ole perustavaa laatua olevaa roolia. Aurinkotuulen elektronit eivät ole tärkeitä sellaiselle purjeelle. Mutta positiivisesti varautuneet hiukkaset - protonit ja alfasäteily - hylätään köydistä, mikä luo suihkun työntövoimaa.

Vaikka tämä työntövoima on noin 200 kertaa pienempi kuin aurinkopurjeen, Euroopan avaruusjärjestö on kiinnostunut. Tosiasia on, että sähköpurje on paljon helpompi suunnitella, valmistaa, ottaa käyttöön ja käyttää avaruudessa. Lisäksi painovoimaa käyttämällä purje mahdollistaa myös matkustamisen tähtituulen lähteelle, ei vain poispäin siitä. Ja koska tällaisen purjeen pinta-ala on paljon pienempi kuin aurinkopurjeen, se on paljon vähemmän herkkä asteroideille ja avaruusromuksille. Ehkä näemme ensimmäiset kokeelliset alukset sähköpurjeessa lähivuosina.

Ionimoottori

Varautuneiden aineen hiukkasten eli ionien virtausta ei emittoi vain tähdet. Ionisoitua kaasua voidaan luoda myös keinotekoisesti. Normaalisti kaasuhiukkaset ovat sähköisesti neutraaleja, mutta kun niiden atomit tai molekyylit menettävät elektroneja, ne muuttuvat ioneiksi. Kokonaismassassaan tällaisella kaasulla ei vieläkään ole sähkövarausta, mutta sen yksittäiset hiukkaset varautuvat, mikä tarkoittaa, että ne voivat liikkua magneettikentässä.

Ionimoottorissa inertti kaasu (yleensä ksenoni) ionisoituu korkeaenergisten elektronien virralla. Ne lyövät elektroneja pois atomeista ja saavat positiivisen varauksen. Lisäksi tuloksena olevat ionit kiihdytetään sähköstaattisessa kentässä luokkaa 200 km/s, mikä on 50 kertaa suurempi kuin kaasun ulosvirtausnopeus kemiallisista suihkumoottoreista. Siitä huolimatta nykyaikaisten ionipotkurien työntövoima on erittäin pieni - noin 50-100 mitawtonia. Sellainen moottori ei pystyisi edes liikkumaan pöydältä. Mutta hänellä on vakava plussa.

Suuri ominaisimpulssi voi vähentää merkittävästi moottorin polttoaineenkulutusta. Kaasusta saatu energia käytetään kaasun ionisointiin. aurinkopaneelit Siksi ionimoottori pystyy toimimaan erittäin pitkään - jopa kolme vuotta keskeytyksettä. Tänä aikana hänellä on aikaa kiihdyttää avaruusalusta nopeuksille, joista kemialliset moottorit eivät koskaan uneksineet.

Ionimoottorit ovat toistuvasti kyntäneet aurinkokunnan laajuutta osana erilaisia ​​tehtäviä, mutta yleensä apu-, eivätkä päätehtäviä. Nykyään mahdollisena vaihtoehtona ionipotkureille puhutaan yhä enemmän plasmapotkureista.

Plasma moottori

Jos atomien ionisaatioaste nousee korkeaksi (noin 99%), niin tällaista aineen aggregoitua tilaa kutsutaan plasmaksi. Plasmatila voidaan saavuttaa vain, kun korkeita lämpötiloja Siksi plasmamoottoreissa ionisoitu kaasu kuumennetaan useisiin miljooniin asteisiin. Lämmitys tapahtuu ulkoisella energialähteellä - aurinkopaneeleilla tai realistisemmin pienellä ydinreaktorilla.

Kuuma plasma työnnetään sitten ulos rakettisuuttimen läpi, jolloin syntyy kymmeniä kertoja suurempi työntövoima kuin ionipotkurilla. Yksi esimerkki plasmamoottorista on VASIMR-projekti, jota on kehitetty viime vuosisadan 70-luvulta lähtien. Toisin kuin ionipotkurit, plasmapotkuria ei ole vielä testattu avaruudessa, mutta niihin kohdistuu suuria toiveita. Juuri VASIMR-plasmamoottori on yksi tärkeimmistä ehdokkaista miehitetyille lentoille Marsiin.

Fuusiomoottori

Ihmiset ovat yrittäneet kesyttää lämpöydinfuusion energiaa 1900-luvun puolivälistä lähtien, mutta tähän mennessä he eivät ole pystyneet siihen. Siitä huolimatta hallittu lämpöydinfuusio on edelleen erittäin houkutteleva, koska se on valtavan energian lähde, joka saadaan erittäin halvasta polttoaineesta - heliumin ja vedyn isotoopeista.

Tällä hetkellä on käynnissä useita projekteja suihkumoottorin suunnittelusta lämpöydinfuusion energiaan. Lupaavimpana niistä pidetään mallia, joka perustuu magneettisella plasmarajoituksella varustettuun reaktoriin. Fuusioreaktori tällaisessa moottorissa on vuotava sylinterimäinen kammio, jonka pituus on 100-300 metriä ja halkaisija 1-3 metriä. Kammioon on syötettävä polttoainetta korkean lämpötilan plasman muodossa, joka riittävässä paineessa lähtee ydinfuusioreaktioon. Magneettijärjestelmän kelojen, jotka sijaitsevat kammion ympärillä, tulisi estää tämä plasma koskettamasta laitteita.

Termoydinreaktiovyöhyke sijaitsee sellaisen sylinterin akselia pitkin. Magneettikenttien avulla erittäin kuuma plasma virtaa reaktorin suuttimen läpi luoden valtavan työntövoiman, joka on monta kertaa suurempi kuin kemiallisten moottoreiden.

Antimatteri moottori

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu fermioneista - alkuainehiukkasista, joilla on puolikokonaisluku spin. Näitä ovat esimerkiksi kvarkit, jotka muodostavat protoneja ja neutroneja atomiytimissä sekä elektroneja. Lisäksi jokaisella fermionilla on oma antihiukkasensa. Elektronille tämä on positroni, kvarkille - antikvarkki.

Antihiukkasilla on sama massa ja sama spin kuin tavallisilla "tovereilla", jotka eroavat kaikkien muiden kvanttiparametrien merkistä. Teoriassa antihiukkaset voivat muodostaa antimateriaa, mutta toistaiseksi antimateriaa ei ole tallennettu missään universumissa. Perustieteen kannalta suuri kysymys on, miksi sitä ei ole olemassa.

Mutta laboratorio-olosuhteissa voit saada antimateriaa. Esimerkiksi äskettäin suoritettiin koe, jossa verrattiin protonien ja antiprotonien ominaisuuksia, jotka säilytettiin magneettiloukussa.

Kun antimateriaali ja tavallinen aine kohtaavat, tapahtuu molemminpuolinen tuhoutumisprosessi, jota seuraa valtavan energian purskahdus. Joten jos otat kilogramman ainetta ja antimateriaa, niiden kohtaamisen yhteydessä vapautuvan energian määrä on verrattavissa "tsaaripommin" - ihmiskunnan historian tehokkaimman vetypommin - räjähdykseen.

Lisäksi merkittävä osa energiasta vapautuu sähkömagneettisen säteilyn fotonien muodossa. Näin ollen halutaan käyttää tätä energiaa avaruusmatkoiluun luomalla aurinkopurjeen kaltainen fotonimoottori, vain tässä tapauksessa valo syntyy sisäisestä lähteestä.

Mutta jotta säteilyä voitaisiin käyttää tehokkaasti suihkumoottorissa, on tarpeen ratkaista "peilin" luomisongelma, joka pystyisi heijastamaan näitä fotoneja. Loppujen lopuksi aluksen täytyy jotenkin työntää pois työntövoiman luomiseksi.

Mikään nykyaikainen materiaali ei yksinkertaisesti kestä tällaisen räjähdyksen yhteydessä syntyvää säteilyä ja haihtuu välittömästi. Scifi-romaaneissaan Strugatsky-veljekset ratkaisivat tämän ongelman luomalla "absoluuttisen heijastimen". Oikeassa elämässä mitään tällaista ei ole vielä tehty. Tämä tehtävä, samoin kuin suuren antiaineen luomisen ja sen pitkäaikaisen varastoinnin ongelmat ovat tulevaisuuden fysiikan asia.