世界不思議

新型太空核能引擎:靠磁場推動等離子


美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的科學家提出一種靠磁場控制等離子體的新型核能引擎技術,將大幅縮短太空旅行的時間。

現在多數等離子核能引擎靠施加電場產生推力,這種技術通過向等離子體施加磁場產生推力,利用磁力線斷裂、重新連接的過程加速粒子。

磁力線斷裂和重新連接是宇宙內常見的現象,比如太陽表面的磁場線就在不斷地匯合、斷裂、再連接,產生大量能量。核聚變設施如托卡馬克反應爐,內部靠強大的磁場引導高溫等離子體,也會發生磁場的重連。

「我在構思這個框架有一段時間了。」PPPL首席研究員、這個想法的發明者埃布拉希米(Fatima Ebrahimi)說:「2017年的一天,我坐在甲板上,想到汽車尾氣和我們實驗室國家球形環面實驗升級計劃(NSTX,基於托卡馬克概念的實驗設施)高速排出粒子有著相似性,就有了這個主意。」

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「在運作過程中,這個托卡馬克設備產生的電漿粒團移動的速度達到每秒約20公里,我覺得這可以產生推力。」電漿粒團是一種電漿和磁場連接在一起的結構。

現有的等離子推進器使用電場推動粒子前進,只能產生較小的速度。PPPL實驗室電腦模型的模擬顯示,這種新型推進器粒子噴射的速度可以達到每秒幾百公里,比其它推進器快10倍。

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埃布拉希米介紹說,新型推進器與其它設備主要有三個不同點。

一是新型推進器可以通過調整磁場的強度增加或減弱推力;二是新型推進器內電漿粒團和等離子體共同參與噴射產生推力,因此功率更大,而其它推進器只噴射等離子;三是現在的推進器依賴電場,多數使用像氙氣這樣的重原子氣體,新推進器使用磁場,裡面的等離子由輕重原子組成都可以,也就是可以使用任何氣體,還可以根據不同的推進需要,訂製不同的推力。

這項研究近期發表於《等離子體物理》( Journal of Plasma Physics)期刊上。埃布拉希米說,這是第一份把電漿粒團和磁場重聯用於太空推進器的研究,下一步是造出一個雛形。

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