Viene proposto un nuovo concetto di motore a razzo termonucleare
Un nuovo tipo di motore a razzo che potrebbe portare l'umanità su Marte e oltre è stato proposto da un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Il dispositivo utilizzerà campi magnetici per forzare le particelle di plasma, un gas caricato elettricamente noto anche come il quarto stato della materia, a volare fuori dalla parte posteriore del razzo e, a causa della conservazione della quantità di moto, spingere la nave in avanti. I moderni propulsori al plasma testati nello spazio utilizzano campi elettrici per spostare le particelle.
Il nuovo concetto accelererà le particelle attraverso la riconnessione magnetica, un processo che è stato osservato in tutto l'universo, compresa la superficie del Sole, in cui le linee del campo magnetico convergono, si separano improvvisamente e quindi si ricongiungono, producendo molta energia. La riconnessione avviene anche all'interno di dispositivi di fusione noti come tokamaks.
"Ho preparato questo concetto per un po '", ha detto il fisico principale del PPPL Fatima Ebrahimi, l'inventore del concetto e autore di un articolo che dettaglia l'idea nel Journal of Plasma Physics.
"Ho avuto l'idea nel 2017 quando stavo riflettendo sulle somiglianze tra lo scarico delle auto e le particelle di scarico ad alta velocità create dal National Spherical Torus Experiment (NSTX) PPPL", il precursore dell'attuale complesso di fusione di punta del laboratorio.
"Durante il funzionamento, questo tokamak produce bolle magnetiche chiamate plasmoidi (plasma confinato in circuiti magnetici chiusi) che si muovono a una velocità di circa 20 chilometri al secondo, che mi è sembrata molto simile alla spinta".
La fusione, la forza che spinge il sole e le stelle, combina elementi leggeri sotto forma di plasma - uno stato di materia caldo e carico costituito da elettroni liberi e nuclei atomici che costituiscono il 99% dell'universo visibile - per generare enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione termonucleare sulla Terra per ottenere una fonte di energia quasi inesauribile per la generazione di elettricità.
I moderni propulsori al plasma, che utilizzano campi elettrici per spostare le particelle, possono produrre solo un piccolo impulso o velocità specifica. Ma le simulazioni al computer eseguite su computer PPPL hanno dimostrato che il nuovo concetto di motore al plasma può generare gas di scarico a centinaia di chilometri al secondo, 10 volte più velocemente di altri motori.
La maggiore velocità del veicolo spaziale potrebbe rendere i pianeti esterni accessibili agli esseri umani. "Viaggiare per lunghe distanze richiede mesi o anni perché l'impulso specifico dei motori a razzo chimico è molto basso, quindi ci vuole tempo perché la nave prenda velocità", ha detto Fatima Ebrahimi. "Ma se creiamo motori basati sulla riconnessione magnetica, allora forse possiamo fare missioni a lunga distanza in un periodo di tempo più breve".
Ci sono tre differenze principali tra il nuovo concetto di motore e altri dispositivi. Innanzitutto, la modifica dell'intensità del campo magnetico può aumentare o diminuire la spinta. "Utilizzando più elettromagneti e più campi magnetici, puoi effettivamente ruotare la manopola per regolare con precisione la velocità".
In secondo luogo, il nuovo propulsore produce movimento espellendo particelle di plasma e bolle magnetiche note come plasmoidi. I plasmoidi aggiungono potenza al sistema di propulsione e nessun altro concetto di motore li include.
Terzo, a differenza dei moderni concetti di propulsori che si basano su campi elettrici, i campi magnetici di Ebrahimi consentono al plasma all'interno di un propulsore di essere composto da atomi pesanti o leggeri.
Questa flessibilità consente agli scienziati di adattare la spinta per una missione specifica. "Mentre altri motori richiedono un gas pesante composto da atomi come lo xeno, in questo concetto è possibile utilizzare qualsiasi tipo di gas si desideri", ha detto Ebrahimi. In alcuni casi, gli scienziati potrebbero preferire un gas più leggero perché gli atomi più piccoli possono muoversi più velocemente.
Questo concetto espande il portafoglio di PPPL di ricerca sulla propulsione spaziale. Altri progetti includono l'Hall Thruster Experiment, che è stato avviato nel 1999 dai fisici del PPPL Eugene Raitses e Nathaniel Fisch per studiare l'uso delle particelle di plasma per sostenere i veicoli spaziali. Stanno anche esplorando la possibilità di utilizzare minuscoli propulsori Hall per dare ai piccoli satelliti, chiamati CubeSat, maggiore manovrabilità mentre orbitano attorno alla Terra.
Ebrahimi ha sottolineato che il suo concetto di motore è direttamente correlato alla sua ricerca nel campo dell'energia da fusione. Questo lavoro è stato ispirato da precedenti lavori di fusione, ed è la prima volta che i plasmoidi e la riconnessione sono stati proposti per la propulsione spaziale. Il prossimo passo è la prototipazione!