Физики из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и немецкого бюро Electrofluidsystems разработали и испытали новый плазменный двигатель, который может работать при нормальном атмосферном давлении.

Плазменный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы (ионизированного газа). В отличие от жидкостных двигателей, такие системы не предназначены для вывода грузов на орбиту, поскольку могут работать только в вакууме, и сейчас используются, например, для удержания спутников на точке стояния. Кроме того, за счет уменьшения запасов рабочего тела при сравнительно высокой скорости его истечения, они рассматриваются как возможный способ совершения быстрых космических перелетов. Разработка плазменных установок ведется с середины XX века, а первый прототип был испытан NASA в 1961 году.

Принцип работы плазменного двигателя заключается в следующем. Газ, например ксенон, подается в рабочую камеру, внутренняя часть которой играет роль катода, а внешняя — анода. При подаче постоянного напряжения в сотни вольт за счет магнитного поля в рабочей камере возникает газовый разряд, и газ ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму. Затем под действием силы Лоренца плазма вылетает из газоразрядной камеры, чем создает реактивную тягу. Тяговый импульс подобного двигателя полностью зависит от мощности магнитного поля и габаритов. При этом в вакууме генерация плазмы требует значительно меньше энергии для разделения ионов и электронов, чем при нормальном давлении.

Схема установки / ©B. Göksel et al., The Journal of Physics: Conference Series, 2017

В существующих плазменных двигателях индукция магнитного поля составляет сотые доли тесла. Чтобы ускорить космический аппарат массой 100 тонн в вакууме по меньшей мере на 100 километров в час показатель должен достигать примерно 10 тысяч тесла (в объеме всего нескольких кубометров) при суммарном импульсе около 10 миллионов килоньютонов. По словам авторов, их прототип существенно превосходит аналоги по показателю тяги. Согласно расчетам, при масштабировании до размеров стандартного авиационного двигателя установка, в зависимости от напряжения, сможет обеспечить импульс в 50–150 килоньютонов. Пока испытания проводились на прототипе диаметром 14 миллиметров и длиной 80 миллиметров.

Устройство состоит из шести анодов, размещенных вокруг катода. При подаче напряжения наносекундными импульсами (это позволило работать при давлении 0,1–1 бар) до 16 киловольт между катодом и анодом возникали газовые разряды, которые приводили к ионизации. Оценка тяги проводилась с помощью 15-граммового маятника. Исходя из напряжения, подаваемого на катод и анод, его отклонение варьировалось от 5 до 25 градусов. Ученые отмечают, что потенциально такие установки можно использовать в различных аппаратах, в том числе самолетах. Внедрение технологии, однако, станет актуальным только после создания компактных и мощных источников энергии, например портативных термоядерных реакторов.

Статья опубликована в The Journal of Physics: Conference Series.

Ранее сообщалось, что китайские исследователи успешно испытали прототип «невозможного» двигателя EmDrive с чрезвычайно высокой тягой. Свой статус система получила за, предположительно, нарушение закона сохранения импульса.

Видеозапись испытаний / ©Electrofluidsystems Ingenieurbüro Göksel