Ad Astra Rocket Company, ett rymdflygteknikföretag i Costa Rica, är tillägnad utvecklingen av avancerad plasmaraketframdrivningsteknik. John B. Carnett/Bonnier Corporation Fem. Fyra. Tre. Två. Ett. Spränga bort! In i himlen skjuter ett raketfartyg, snabbt flyttar bortom vår atmosfär och ut i rymden. Under det senaste halvseklet, människor har gått från att bara titta förvånat på stjärnorna som glittrar på natthimlen till att faktiskt leva i flera månader åt gången på den internationella rymdstationen bland himlakropparna. Och medan människor har satt sin fot på månen, landning någonstans längre bort har endast reserverats för obemannade hantverk och robotar.
Ett ställe människor är mycket intresserade av att besöka är Mars. Bortsett från de verkliga utmaningarna att landa och tillbringa någon tid på en plats som är så ovälkommen som den röda planeten, det är det stora hindret att faktiskt komma dit. I genomsnitt, Mars ligger cirka 225,3 miljoner kilometer från jorden. Även när den är närmast, det är fortfarande cirka 56,3 miljoner kilometer från vår planet [källa:St. Fleur]. Att använda de konventionella kemiska raketer som vanligtvis transporterar oss ut i rymden skulle ta minst sju månader att komma dit - inte exakt en kort tid [källa:Verhovek]. Finns det något sätt vi kan göra det snabbare? Gå in i plasmraketen!
Istället för att använda konventionellt raketbränsle, forskare och ingenjörer har vänt sig till plasmaraketets löfte för att driva oss till yttre rymden. I denna typ av raket, en kombination av elektriska och magnetiska fält används för att bryta ner atomer och molekyler i en drivgas till en samling partiklar som har antingen en positiv laddning (joner) eller en negativ laddning (elektroner). Med andra ord, drivgasen blir en plasma.
I många konfigurationer av denna motor, ett elektriskt fält appliceras sedan för att mata ut jonerna från motorns baksida, som ger rymdfarkosten dragkraft i motsatt riktning [källa:Zyga]. Med denna teknik optimerad, ett rymdskepp skulle teoretiskt kunna nå en hastighet 123, 000 mph (198, 000 km / h) [källa:Verhovek]. I den hastigheten, du kan ta dig från New York till Los Angeles på en minut!
Innehåll
En man tittar på världens största HD LCD -TV vid en kongress i Berlin. Plasma -TV är nu mycket vanligt. snapshot-photography/ullstein bild via Getty Images Världen är vanligtvis uppdelad i tre materiella tillstånd:fast, vätska och gas. När materia är kall, den är fast. När det värms upp, det blir till en vätska. När mer värme appliceras, du får en gas. Historien slutar inte där, dock. När du lägger till ännu mer värme, du får - plasma! Den extra energin och värmen bryter sönder de neutrala atomerna och molekylerna i gasen till typiskt positivt laddade joner och negativt laddade elektroner. De laddade partiklarna ger plasma intressanta ledande egenskaper, så plasmatekniken används för att göra alla möjliga föremål vi använder varje dag. Datorchip, neonskyltar, även metallbeläggningen på insidan av en påse potatischips skapas med hjälp av plasmateknik. Och naturligtvis, det finns plasma -tv som använder plasma för att släppa ut ljusfotoner, ger dig en färgvisning av pixlar på skärmen. Faktiskt, 99 procent av vanlig materia i universum är i plasmatillstånd [källa:Charles].
De flesta stjärnor, inklusive vår sol, är gjorda av plasma. Om det är så utbrett i universum, varför ser vi inte det mycket på jorden? Väl, faktiskt, vi gör. Norra och södra ljuset skapas av solvindar. Och vad är solvindar? Plasma! OK, inte alla har turen att se dessa spektakulära ljusskärmar, men du kan se plasma i aktion under ytterligare en fantastisk lysning visar av naturen:ett åskväder. När elen i blixtar strömmar genom luften, det ger så mycket energi till molekylerna i dess väg att gaserna i blixtledet faktiskt omvandlas till plasma.
Plasmateknik har också använts i raketer för att hjälpa oss att komma runt yttre rymden, och det rymmer mest löfte för att få människor till platser som vi bara kunde drömma om tidigare. Dessa raketer måste vara i yttre rymdens vakuum för att fungera eftersom luftens densitet nära jordens yta bromsar accelerationen av jonerna i plasma som behövs för att skapa dragkraft, så vi kan faktiskt inte använda dem för att lyfta från jorden. Dock, några av dessa plasmamotorer har drivits i rymden sedan 1971. NASA använder dem vanligtvis för underhåll på den internationella rymdstationen och satelliter, liksom huvudkällan för framdrivning till djupt rymd [källa:NASA].
Costa Rica astronaut och fysiker Franklin Chang Diaz förklarar utvecklingen av hans plasmamotorprojekt. MAYELA LOPEZ/AFP/Getty Images Alla plasmaraketer fungerar på samma typ av princip:Elektriska fält och magnetfält arbetar sida vid sida för att först omvandla en gas - vanligtvis xenon eller krypton - till plasma och sedan accelerera jonerna i plasma ur motorn vid över 45, 000 mph (72, 400 km / h), skapa ett drag i riktningen för önskad resa [källa:Science Alert]. Det finns många sätt att använda denna formel för att skapa en fungerande plasmaraket, men det finns tre typer som sticker ut som de bästa och mest lovande [källan:Walker].
Hallpropellrar är en av två typer av plasmamotorer som för närvarande används regelbundet i rymden. I den här enheten, elektriska och magnetiska fält sätts upp vinkelrätt i kammaren. När elektricitet skickas genom dessa duelleringsfält, elektronerna börjar susa runt supersnabbt i cirklar. När drivgasen sprutas in i enheten, höghastighetselektronerna slår elektroner av atomerna i gasen, skapa en plasma bestående av de fria elektronerna (som bär negativa laddningar) och de nu positivt laddade atomerna (jonerna) hos drivmedlet. Dessa joner skjuts ut från motorns baksida och skapar den kraft som behövs för att driva raketen framåt. Medan de två joniserings- och accelerationsprocesserna för jonerna sker i steg, de förekommer inom samma utrymme i denna motor. Hallpropellrar kan generera en betydande dragkraft för den ingångseffekt som används, så de kan gå otroligt fort. Men det finns gränser för deras bränsleeffektivitet.
När NASA letar efter en motor som är mer bränsleeffektiv, det vänder sig istället till gallrade jonmotorer . I denna vanliga enhet, elektriska och magnetiska fält är belägna längs motorkammarens väggar. När elektrisk ström appliceras, elektroner med hög energi svänger i och längs magnetfälten nära väggarna. På liknande sätt som Hallpropellern, elektronerna kan jonisera drivgasen till en plasma. För att göra nästa steg för att skapa dragkraft, elektriska nät placeras i slutet av kammaren för att påskynda jonerna. I denna motor, joniseringen och accelerationen sker i två olika utrymmen. Medan den gallrade jonmotorn är mer bränsleeffektiv än en hallpropeller, baksidan är att den inte kan generera så mycket dragkraft per ytenhet. Beroende på vilken typ av jobb de vill göra, forskare och rymdingenjörer väljer vilken motor som passar uppdraget bättre.
Till sist, det finns den tredje typen av motor:VASIMR, Förkortning av Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket . Denna raket, utvecklad av den tidigare astronauten Franklin Chang Diaz, finns bara i testfasen nu. I den här enheten, jonerna skapas via radiovågor som genereras av en antenn för att bilda plasma. En annan antenn längre nedströms tillför energi som får jonerna att snurra runt i en cirkel mycket snabbt. Ett magnetfält ger riktning så att jonerna släpps ut ur motorn i en rak linje, därmed leverera kraften. Om det fungerar, denna raket kommer att ha ett enormt gasreglage, något som hallpropeller och jongallad motor inte kan uppnå lika lätt.
Konventionella raketer är fantastiska och har tagit oss långt, men de har sina begränsningar. Dessa raketer fungerar också på grundval av dragkraft:Motorn förbränner bränsle, skapar en högtrycksgas som tvingas ut ur raketmunstycket vid hög hastighet och raketen drivs i motsatt riktning [källa:Brain]. Raketbränsle, är dock mycket tung och superineffektiv. Det kan inte ge tillräckligt med ström för att få platser snabbt. Raketbränslet bränns upp i ansträngningen att komma av jorden och gå i omloppsbana, och då tvingas rymdskeppet i princip bara kusta [källa:Verhovek].
En plasmaraket, å andra sidan, använder mycket mindre bränsle än dessa konventionella motorer - 100 miljoner gånger mindre bränsle, faktiskt [källa:Science Alert]. Det är så bränsleeffektivt att du kan gå från jordens bana till månens bana med bara cirka 113 liter gas [källa:Charles]. Plasma -raketer accelererar gradvis och kan nå en maxhastighet på 55 kilometer per sekund under 23 dagar, vilket är fyra gånger snabbare än någon kemisk raket [källa:Verhovek]. Mindre tid att resa innebär mindre risk för att fartyget upplever mekaniska fel och astronauter utsätts för solstrålning, benförlust och muskelatrofi. Med VASIMR, framdrivning kommer också teoretiskt att vara tillgänglig under hela resan, vilket innebär att riktningsändringar kan vara möjliga när som helst.
För att vara realistisk, vid denna tidpunkt, resor till Mars på kort tid är fortfarande långt kvar. Att nå dessa typer av extrema avstånd kommer att kräva mycket kraft. De flesta hallpropellrar och jonmotorer med nät används på cirka 5 kilowatt effekt. För att nå nivåerna av effekt behöver du nå Mars på cirka 40 dagar, du skulle behöva minst 200 gånger det beloppet [källa:Walker]. Den mest livskraftiga energikällan för att generera denna mängd kraft i yttre rymden är kärnkraftkällor inbyggda i motorn. Just nu, dock, att sätta en kärnkälla på ett raketfartyg som vi spränger från jorden i rymden utgör för stort hot om strålningsexponering vid en krasch.
Så kraftkällan för att nå dessa avstånd är fortfarande en stor utmaning. För att inte tala om osäkerheten om hur människokroppen skulle reagera på att resa 54 kilometer per sekund (i motsats till 4,7 miles eller 7,5 kilometer per sekund som astronauterna reser för att komma till en lägre jordbana i konventionella raketer) [källor:Verhovek , Northwestern University Qualitative Reasoning Group]. Men i teorin, får tillräckligt med kraft, dessa motorer har förmågan att nå Mars på cirka 40 dagar, en bedrift som vi inte skulle ha vågat drömma om för bara 50 år sedan.
Ursprungligen publicerat:29 sep. 2016
Först läste jag "The Martian, "och nu har jag skrivit den här artikeln. Jag har aldrig varit så jazzad om Mars! Jag är inte säker på att jag skulle vilja åka dit själv, men mer kraft till astronauterna som en dag kan gå på den röda planeten!
