Universum består av plasma, som lätt påverkas av magnetfält och krafter, som leder till komplext beteende. Plasma finns i hela solsystemet på platser som planetmagnetosfären, solvind och i kometernas svansar.

Magnetfält som sträcks av plasmaflöden resulterar i en ökning av fältkomponenten längs plasmaflödet. Dessa fält observeras ofta i rymden. Däremot, forskare i terrestriska laboratorier ser ofta att magnetfälten minskar med plasma på grund av dess diamagnetism. Detta innebär att plasma kan generera ett magnetfält i motsatt riktning mot det som appliceras så att fältlinjerna avviker.

Forskare från Tohoku University har försökt ta reda på hur plasmaflödet påverkas av dess miljö genom laboratorieexperiment, och har gjort framsteg i forskning mot en elektrodelös plasmastruster för att driva rymdfarkoster.

Det finns många metoder för framdrivning av rymdfarkoster, och medan de alla har sina fördelar och nackdelar, elektrisk framdrivning är nu mogen och används ofta. Elektriskt drivna plasmastuschrar kan leverera stor tryckdensitet utan att elektroderna behöver utsättas för plasma, vilket minskar skador från erosion över tid.

Medan nästan alla rymdfarkoster använder kemiska raketer för att skjuta upp, när hårdvaran är i rymden, framdrivning behövs för att manövrera båten för banaunderhåll, leveransuppdrag och utforskning av rymden. Här, elektrisk framdrivning, med sin högre avgashastighet, Är föredraget, eftersom den vanligtvis använder mindre drivmedel än kemiska raketer. Eftersom det är svårt att göra allmänna reparationer på rymdfarkoster när de har lämnat jorden, tillförlitligheten hos deras interna komponenter är avgörande för långsiktiga uppdrag.

Några nya koncept för plasmastruster omfattar ett expanderande magnetfält som kallas magnetmunstycke (MN), där plasman spontant accelereras för att driva ett rymdfarkost när det är uttömt i rymden.

Den MN-inducerade kraften som driver rymdfarkosten har demonstrerats i laboratorieexperiment och har sitt ursprung i plasma som inducerar magnetfältet i motsatt riktning mot den applicerade. Detta fungerar som magneter med motstående N -poler:den ena kommer att stöta bort den andra. På samma sätt, plasma i det framdrivande MN avviker i huvudsak magnetfältet. Men eftersom magnetfälten är stängda och vända tillbaka mot rymdfarkosten, plasma, påverkas av fältet, vänder tillbaka, vilket gör nätkraften noll.

För att övervinna detta problem, forskare föreslår ett scenario där magnetfältlinjerna sträcks till oändlighet av plasmaflödet. Tills nu, de flesta laboratorieexperiment har fokuserat på det avvikande MN snarare än det sträckta fältet.

I sitt laboratorium vid Tohoku University, Kazunori Takahashi och Akira Ando observerade framgångsrikt den rumsliga övergången mellan de två plasmatillstånden som divergerar och sträcker ut MN. Här, de identifierade övergången när sträckningen av fältet detekterades i nedströmsområdet i MN, medan plasmatillståndet som avviker från MN (dvs. tryckgenerering av MN) upprätthölls fortfarande i uppströmsregionen av MN.

Detta resultat kan innebära att plasmaflödet kan rikta magnetfältet ut i rymden samtidigt som man behåller kraftgenerering av MN. Även om töjningen av magnetfältet har antagits inträffa när plasmaflödet når en specifik hastighet, kallade Alfven -hastigheten, experimentet visar att det faktiskt sker med en långsammare hastighet än förväntat.

Variationen av fältstyrkan är bara några procent av den applicerade magnetfältstyrkan för närvarande, men detta är ett viktigt första steg för att övervinna problemet med att lossa plasma från MN i plasmastrusteren. Vidare, detta experiment ger några ledtrådar om plasmas beteende i olika miljöer, överbrygga klyftan mellan labbet och den naturliga världen.

Ytterligare detaljerade experiment på ett brett spektrum av parametrar, teoretisk modellering och numerisk simulering behövs fortfarande.

Detaljerad information finns i tidningen publicerad av Fysiska granskningsbrev .