从太阳帆、离子推进器到核热火箭、核电火箭等,用来探索太空的各种概念性工具琳琅满目,而最近普林斯顿电浆物理实验室(PPPL)科学家 Fatima Ebrahimi 提出了一种新型电磁推进器,依靠发生于太阳表面的磁重联现象来产生引擎推力,速度能比目前使用电场推动粒子的离子推进器快 10 倍。
过去 64 年来,送往地球外的多艘探测器都取得相当成功研究成果,但你有否注意到这些探测器或太空船通常都不大?目前执行过任务的最重太空船为“自动运载飞船(Automated Transfer Vehicle,ATV)-乔治·勒梅特号”,满载质量约 20.3 吨,为国际太空站补充了推进剂、水、空气、干货,跟一幅艺术家凯蒂·帕特森的作品;而目前最重的太空探测器则是探索土星的卡西尼-惠更斯号(Carsini-Huygens),重量约 5.6 吨。
为什么这些探测器无法再做得更大一些?很大原因跟引擎有关。化学火箭虽然能产生巨大推力,但比冲(specific impulse,推进系统的燃烧效率)很低,也就是说化学火箭在燃料用尽前没办法飞太远;离子推进系统(比如霍尔效应推进器)则相反,其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电离子加速后喷出,利用反作用力推动火箭(探测器/太空船)前进,比冲远大于现有其它推进技术。
虽然离子推进器的初始推力很小(大概只吹得动一张纸),但只要少量推进剂就能(非常缓慢地)加速到最终速度,给它时间,它可以飞超远。
然而,对于要将数十甚至数百吨物资送到火星的太空船而言,这两种方法都不太有吸引力,虽然安装离子推进器能减少燃料载量来增加有效载荷量,但我们不可能浪费时间放着物资与昂贵设备在太空长途漫游。
利用磁重联能量加速粒子
跟上述方法相比,Fatima Ebrahimi 设计了一种效率可能更好的新型电磁推进器,该设备依靠磁重联(Magnetic reconnection)现象来加速电浆从引擎喷出,从而推动探测器前进。磁重联是常见于宇宙、发生于高导电电浆中的物理过程,太阳表面便有这种现象,过程中磁拓扑重新分布,同时磁能被转换为动能、热能并加速粒子(也就是太阳耀斑成因)。
利用电脑模拟发现,这种重新连接磁场来电离气体以产生推力的新型电磁推进器,可以每秒数百公里的速度喷出电浆,比其他推进器快了 10 倍。
Fatima Ebrahimi 的推进器概念与其他设备有 3 个主要差异,第一,可以改变磁场强度来增加或减少推力;第二,新推进器不只能喷射电浆(plasma),也能喷射电浆粒团(plasmoid)来产生推力,目前还没有其他推进器融入这种概念。
第三,与当前依靠电场的推进器不同,新型推进器燃料不一定只倚赖重原子构成的气体(比如氙气),也能由轻原子组成,这种灵活性能让科学家针对特定任务调整推力大小,某些情况下,科学家可能更喜欢较轻的气体,因为原子移动更快。
Fatima Ebrahimi 的这道灵感受到过去工作启发,是第一次有人提出将电浆与磁重联现象结合用于太空推进系统,下一步就是尝试开始打造原型。新论文发表在(Journal of Plasma Physics)期刊。
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(首图来源:普林斯顿电浆物理实验室)