Ключевую проблему плазменных двигателей решили с помощью нестабильности плазмы. Исследователи из университета Тохоку и Австралийского национального университета обнаружили, что спонтанно возбуждаемые плазменные волны вызывали перенос намагниченных электронов, который может решить проблему «отрыва плазмы» в двигателях с магнитным соплом.

В радиочастотных двигателях с магнитным соплом последнее направляет и ускоряет плазму, позволяя космическим кораблям создавать тягу. Технология, использующая электрическую тягу, демонстрирует большой потенциал для открытия новой эры космических путешествий. Однако дальнейшему развитию мешала так называемая проблема «отрыва плазмы», объясняют ученые.

Поскольку силовые линии магнитного поля всегда образуют замкнутые петли, те, которые находятся внутри магнитных сопел, неизбежно возвращаются к конструкции двигателя. По этой причине поток плазмы должен отрываться от магнитного сопла. Ионы, имеющие большой радиус, легко отрываются от магнитного сопла. Но электроны с их малой массой и малым радиусом привязаны к силовым линиям, создавая электрическое поле, которое притягивает ионы назад и сводит результирующую тягу к нулю.

Иллюстрация работы плазменного двигателя с магнитным соплом. Изображение: Kazunori Takahashi, Tohoku University

В своей работе физики проанализировали подробные данные сигналов плотности плазмы и флуктуаций электрического поля. Они обнаружили, что спонтанно возбуждаемые волны вызывали транспорт намагниченных электронов внутрь в поперечном направлении к главной оси магнитного поля. Такое перемещение полезно для отрыва плазмы, поскольку уменьшает расходимость расширяющегося плазменного пучка.

Схематическая иллюстрация перемещения электронов в отрывающейся плазме. Изображение: Kazunori Takahashi, Tohoku University

Нестабильность плазмы, особенности переноса плазмы и потери из-за волн и турбулентности были серьезной проблемой для удержания плазмы в реакторах термоядерного синтеза, но в данном случае они оказались полезными.

Наше открытие — редкий случай, когда нестабильность плазмы действительно оказывает благотворное влияние на инженерию. Наши результаты открывают новый взгляд на роль нестабильности в плазме и помогут в разработке радиочастотных плазменных двигателей с магнитным соплом, – Кадзунори Такахаши, соавтор исследования из университета Тохоку.