Ein neues Konzept eines thermonuklearen Raketentriebwerks wird vorgeschlagen
Ein Physiker des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hat einen neuen Raketentyp vorgeschlagen, der die Menschheit zum Mars und darüber hinaus bringen könnte.
Das Gerät wird Magnetfelder verwenden, um Plasmapartikel, ein elektrisch geladenes Gas, das auch als vierter Materiezustand bezeichnet wird, aus dem hinteren Teil der Rakete zu fliegen und das Schiff aufgrund der Impulserhaltung vorwärts zu treiben. Moderne weltraumgetestete Plasma-Triebwerke nutzen elektrische Felder, um Partikel zu bewegen.
Das neue Konzept wird Partikel durch magnetische Wiederverbindung beschleunigen, ein Prozess, der im gesamten Universum, einschließlich der Sonnenoberfläche, beobachtet wurde, bei dem Magnetfeldlinien konvergieren, sich plötzlich trennen und dann wieder verbinden und viel Energie produzieren. Die Wiederverbindung erfolgt auch in Fusionsgeräten, die als Tokamaks bekannt sind.
"Ich habe dieses Konzept für eine Weile vorbereitet", sagte die PPPL-Chefphysikerin Fatima Ebrahimi, die Erfinderin des Konzepts und Autorin eines Artikels, der die Idee im Journal of Plasma Physics ausführlich beschreibt.
„Die Idee kam mir 2017, als ich über die Ähnlichkeiten zwischen Autoabgasen und Hochgeschwindigkeitsabgaspartikeln nachdachte, die durch die PPPL des National Spherical Torus Experiment (NSTX) erzeugt wurden“, dem Vorläufer des aktuellen Flaggschiff-Fusionskomplexes des Labors.
"Während des Betriebs erzeugt dieser Tokamak Magnetblasen, sogenannte Plasmoide (eingeschlossenes Plasma in geschlossenen Magnetschleifen), die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 Kilometern pro Sekunde bewegen, was mir dem Schub sehr ähnlich schien."
Die Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, kombiniert Lichtelemente in Form von Plasma - einem heißen, geladenen Materiezustand, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht, die 99% des sichtbaren Universums ausmachen -, um massive Mengen von zu erzeugen Energie. Wissenschaftler bemühen sich, die Kernfusion auf der Erde zu replizieren, um eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle für die Stromerzeugung zu erhalten.
Moderne Plasma-Triebwerke, die elektrische Felder verwenden, um Partikel zu bewegen, können nur einen kleinen spezifischen Impuls oder eine kleine Geschwindigkeit erzeugen. Computersimulationen auf PPPL-Computern haben jedoch gezeigt, dass das neue Konzept eines Plasmamotors Abgase mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde erzeugen kann, zehnmal schneller als andere Motoren.
Die höhere Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs könnte die äußeren Planeten für Menschen zugänglich machen. „Das Reisen über große Entfernungen dauert Monate oder Jahre, da der spezifische Impuls chemischer Raketenmotoren sehr gering ist. Daher braucht das Schiff Zeit, um an Geschwindigkeit zu gewinnen“, sagte Fatima Ebrahimi. "Aber wenn wir Motoren auf der Basis einer magnetischen Wiederverbindung herstellen, können wir möglicherweise Fernmissionen in kürzerer Zeit durchführen."
Es gibt drei Hauptunterschiede zwischen dem neuen Motorkonzept und anderen Geräten. Erstens kann das Ändern der Stärke des Magnetfelds den Schub erhöhen oder verringern. "Durch die Verwendung von mehr Elektromagneten und mehr Magnetfeldern können Sie den Knopf tatsächlich drehen, um die Geschwindigkeit fein abzustimmen."
Zweitens erzeugt das neue Triebwerk Bewegung, indem es Plasmapartikel und Magnetblasen, sogenannte Plasmoide, ausstößt. Plasmoide verleihen dem Antriebssystem zusätzliche Leistung, und kein anderes Motorkonzept enthält sie.
Drittens ermöglichen Ebrahimis Magnetfelder im Gegensatz zu modernen Triebwerkskonzepten, die auf elektrischen Feldern beruhen, dass das Plasma in einem Triebwerk aus schweren oder leichten Atomen besteht.
Diese Flexibilität ermöglicht es Wissenschaftlern, den Schub auf eine bestimmte Mission zuzuschneiden. "Während andere Motoren ein schweres Gas aus Atomen wie Xenon benötigen, können Sie in diesem Konzept jede Art von Gas verwenden, die Sie möchten", sagte Ebrahimi. In einigen Fällen bevorzugen Wissenschaftler möglicherweise ein leichteres Gas, da sich kleinere Atome schneller bewegen können.
Dieses Konzept erweitert das PPPL-Portfolio an Weltraumantriebsforschung. Weitere Projekte sind das Hall Thruster Experiment, das 1999 von den PPPL-Physikern Eugene Raitses und Nathaniel Fisch gestartet wurde, um die Verwendung von Plasmapartikeln zur Unterstützung von Raumfahrzeugen zu untersuchen. Sie untersuchen auch die Möglichkeit, winzige Hall-Triebwerke zu verwenden, um kleinen Satelliten, sogenannten CubeSats, mehr Manövrierfähigkeit zu verleihen, wenn sie die Erde umkreisen.
Ebrahimi betonte, dass ihr Motorkonzept in direktem Zusammenhang mit ihrer Forschung auf dem Gebiet der Fusionsenergie stehe. Diese Arbeit wurde von früheren Arbeiten zur Fusion inspiriert, und dies ist das erste Mal, dass Plasmoide und Wiederverbindungen für den Weltraumantrieb vorgeschlagen wurden. Der nächste Schritt ist das Prototyping!