En ny typ av raketpropeller som kan ta mänskligheten till Mars och bortom har föreslagits av en fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).

Enheten skulle applicera magnetfält för att orsaka partiklar av plasma, elektriskt laddad gas, även känd som materiens fjärde tillstånd, att skjuta ut baksidan av en raket och, på grund av bevarande av momentum, driva båten framåt. Nuvarande rymdbevisade plasmastruster använder elektriska fält för att driva partiklarna.

Det nya konceptet skulle påskynda partiklarna med hjälp av magnetisk återanslutning, en process som finns i hela universum, inklusive solens yta, i vilka magnetfältlinjer konvergerar, plötsligt separera, och gå sedan ihop igen, producerar mycket energi. Återanslutning sker också inuti munkformade fusionsenheter som kallas tokamaks.

"Jag har lagat detta koncept ett tag, "sa PPPL -huvudforskningsfysikern Fatima Ebrahimi, konceptets uppfinnare och författare till ett papper som beskriver idén i Journal of Plasma Physics . "Jag fick idén 2017 när jag satt på ett däck och tänkte på likheterna mellan bilens avgaser och avgaser med hög hastighet som skapades av PPPL:s National Spherical Torus Experiment (NSTX), "föregångaren till laboratoriets nuvarande flaggskeppsfusionsanläggning." Under driften denna tokamak producerar magnetiska bubblor som kallas plasmoider som rör sig med cirka 20 kilometer per sekund, vilket för mig verkade mycket som dragkraft. "

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor som representerar 99% av det synliga universum - för att generera massiva mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

Nuvarande plasmastrusterar som använder elektriska fält för att driva partiklarna kan bara producera låg specifik impuls, eller hastighet. Men datorsimuleringar utförda på PPPL -datorer och National Energy Research Scientific Computing Center, en DOE Office of Science User Facility vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Kalifornien, visade att det nya plasmastrusterkonceptet kan generera avgaser med hastigheter på hundratals kilometer per sekund, 10 gånger snabbare än andra thrusterers.

Den snabbare hastigheten i början av ett rymdfarkostresa kan föra de yttre planeterna inom räckhåll för astronauter, Sa Ebrahimi. "Långdistansresor tar månader eller år eftersom den specifika impulsen för kemiska raketmotorer är mycket låg, så båten tar ett tag att komma upp i fart, "sa hon." Men om vi gör thrusterar baserade på magnetisk återanslutning, då kunde vi tänka oss att fullborda långdistansuppdrag på kortare tid. "

Det finns tre huvudskillnader mellan Ebrahimis thruster -koncept och andra enheter. Det första är att förändring av magnetfältens styrka kan öka eller minska mängden dragkraft. "Genom att använda fler elektromagneter och fler magnetfält, du kan faktiskt vrida en ratt för att finjustera hastigheten, "Sa Ebrahimi.

Andra, den nya thrusteren producerar rörelse genom att mata ut både plasmapartiklar och magnetiska bubblor som kallas plasmoider. Plasmoiderna ger kraft till framdrivningen och inget annat thruster -koncept innehåller dem.

Tredje, till skillnad från nuvarande thrusterkoncept som är beroende av elektriska fält, magnetfälten i Ebrahimis koncept gör att plasma inuti thrusteren kan bestå av antingen tunga eller lätta atomer. Denna flexibilitet gör det möjligt för forskare att skräddarsy kraften för ett visst uppdrag. "Medan andra thrusterar kräver tung gas, gjord av atomer som xenon, i detta koncept kan du använda vilken typ av gas du vill, "Sa Ebrahimi. Forskare kanske i vissa fall föredrar lätt gas eftersom de mindre atomerna kan röra sig snabbare.

Detta koncept breddar PPPL:s portfölj av rymddrivningsforskning. Andra projekt inkluderar Hall Thruster Experiment som startades 1999 av PPPL -fysikerna Yevgeny Raitses och Nathaniel Fisch för att undersöka användningen av plasmapartiklar för att flytta rymdfarkoster. Raitses och studenter undersöker också användningen av små Hall -thruster för att ge små satelliter som kallas CubeSats större manövrerbarhet när de kretsar runt jorden.

Ebrahimi betonade att hennes thruster -koncept härrör direkt från hennes forskning om fusionsenergi. "Detta arbete är inspirerat av tidigare fusionsarbete och det här är första gången som plasmoider och återanslutning har föreslagits för rymddrivning, "Sa Ebrahimi." Nästa steg är att bygga en prototyp! "