Unitate dinamică magnetoplasmatică

Ilustrarea unei acțiuni dinamice magnetoplasmatice.

O unitate de magneto-plasma dinamică și MPD-drive (engl. MPD propulsorului numit), este un mecanism de antrenare pentru vehiculele spațiale , care se bazează pe principiul accelerației electromagnetice. Datorită cerinței ridicate de energie electrică, însă, doar câteva acționări au fost testate în spațiu de când a început dezvoltarea în anii 1960, în special prin eforturile Japoniei și a fostei Uniuni Sovietice.

Folosește forța Lorentz , care descrie interacțiunea dintre un câmp magnetic și curentul electric și, prin urmare, este numită și Lorentz Force Accelerator (LFA). Unitățile MPD reprezintă o dezvoltare ulterioară a motorului cu arc termic (Arcjet), a cărui accelerație electrotermică este înlocuită de accelerația electromagnetică mai eficientă. Ca rezultat, se poate obține un grad mai ridicat de eficiență , dar acest lucru se realizează numai cu o putere mare și câmpurile magnetice puternice asociate. Dacă se aplică și un câmp magnetic, acesta este denumit accelerator de câmp extern ( AF-MPD; Applied-Field MPD ), în caz contrar este denumit accelerator de câmp propriu ( SF-MPD; Self-Field MPD ).

tehnologie

Motoarele MPD constau dintr-un anod în formă de pâlnie cu un catod în formă de tijă în mijloc . Dacă se aplică o tensiune electrică între cei doi electrozi , masa de sprijin localizată în pâlnie este ionizată și astfel permite un curent să curgă radial prin gaz către catod. Un câmp magnetic puternic este acum generat de fluxul curent. Interacțiunea dintre câmpul magnetic generat electric în jurul camerei de ardere și masa de susținere ionizată îl accelerează în direcția axială și îi permite să scape cu o viteză foarte mare. Forța de împingere este creată de impulsul care este activ în acest proces .

Argonul , litiul și hidrogenul sunt deosebit de potrivite ca bază pentru plasmă . În laboratoarele de testare, viteza de ieșire de 144.000 km / h (40 km / s) a fost deja atinsă cu o unitate MPD care utilizează un câmp magnetic extern.

VASIMR

Desen secțional VASIMR.

Diagrama principiului VASIMR.

O variantă a unității dinamice magnetoplasmatice este dezvoltată de compania americană Ad Astra Rocket Company . Directorul este fostul șapte ori astronaut și fizician al plasmei NASA Franklin Ramon Chang-Diaz , care a dezvoltat conceptul încă din 1979 în timp ce lucra la MIT .

In VASIMR sau specific variabilă impuls magneto cu plasmă rachete efectuate

1. generarea plasmei,
2. încălzirea sa ulterioară și
3. Accelerarea în duză

în trei camere separate.

Acest lucru permite variația raportului dintre impulsul specific și tracțiune , similar cu schimbarea treptelor de viteză a unui vehicul cu roți . O navă spațială ar putea să o folosească pentru a genera o forță ridicată pentru a părăsi câmpul gravitațional al unei planete, de exemplu, și apoi a acoperi o distanță mai mare la viteză mare.

VASIMR ar putea astfel să ofere o eficiență semnificativ mai mare decât sistemele convenționale de propulsie a navei spațiale , să scurteze timpul de călătorie în timpul zborului spațial în cadrul sistemului solar la perioade lunare sau chiar săptămânale și, astfel, să îl facă practicabil și pentru oameni. Timpul de călătorie Pământ-Marte ar fi scurtat de la peste 180 de zile la 39 de zile.

Starea actuală de dezvoltare

Compania americană Ad Astra este dezvoltatorul VASIMR și lucrează în prezent la îmbunătățirea eficienței generale prin creșterea producției sale; în consecință, 67% sunt atinse în prezent. Publicațiile despre unitatea VX-50, care utilizează puterea de undă radio de 50 kW, calculează o eficiență de aproape 59% după cum urmează:

${\ displaystyle \ eta = \ eta _ {\ text {ion generation}} \ cdot \ eta _ {\ text {ion speed boosting efficiency}} = 90 \, \% \ cdot 65 \, \% = 58 {,} 5 \, \%}$

Se spune că modelul VX-100 atinge o eficiență globală de 72% prin îmbunătățirea vitezei de ionizare N _B creșterea eficienței la 80%.

În octombrie 2008, compania a raportat că motorul cu helicon VX-200 era gata de utilizare în prima etapă, un cuplaj de înaltă frecvență în stare solidă. Tehnologia cheie pentru aceasta, conversia undelor radio de curent continuu (DC-RF în stare solidă), atinge o eficiență de 98%.

Descărcarea Helicon folosește unde radio de 30 kW pentru a crea o plasmă de argon . Ceilalți 170 kW sunt folosiți pentru a accelera plasma în a doua secțiune, în acest scop se folosește încălzirea prin rezonanță a ciclotronului ionic (vezi și rezonanța ciclotronului ).

Implementarea ISS

Pe 10 decembrie 2008, Compania Ad Astra a primit o comandă de la NASA de a instala și testa un motor VF-200 gata de utilizare, cu o putere de 200 kW pe Stația Spațială Internațională (ISS). Cu motorul VF-200, înălțimea stației poate fi menținută fără a fi nevoie să transportați cantități mari de combustibil pentru rachete la ISS din nou și din nou. Lansarea nu a fost așteptată până în 2014 și apoi planificată pentru 2015, conform unei publicații a Ad Astra. Datorită consumului ridicat de energie, VASIMR ar trebui să funcționeze în modul impuls, prin care ciclurile de încărcare de 15 minute ar trebui să fie tamponate de baterii. Ca parte a programului NASA Next Space Technologies for Exploration Partnerships (NextSTEP), aceste planuri au fost suspendate pentru moment în favoarea unei dezvoltări ulterioare a sistemului de propulsie (a se vedea mai jos).

Pe baza testelor predecesorului VX-100, se așteaptă ca motorul VF-200 să obțină o eficiență de 60-65% și un impuls de 5N. Impulsul specific optim este de așteptat în jurul valorii de 5000 secunde, atunci când se utilizează argon relativ ieftin. Puterea specifică este estimată la 1,5 kg / kW, ceea ce înseamnă că acest motor VASIMR cântărește în jur de 300 kg.

În perioada aprilie - septembrie 2009, au fost efectuate teste suplimentare pe prototipul VX-200 cu magneți supraconductori integrați. Acest lucru a permis demonstrarea extinderii domeniului de putere la puterea operațională de 200 kW.

Colaborare suplimentară între NASA și Ad Astra

Pe 31 martie 2015, Ad Astra a anunțat că i s-a atribuit contractul pentru o dezvoltare ulterioară a unității VASIMR ca parte a programului NextSTEP al NASA, cu un volum de aproape 10 milioane USD pe trei ani. Ad Astra spera să atingă un nivel de pregătire tehnologică mai mare de 5 (TRL 5) pentru un motor cu mai mult de 100 de ore de funcționare continuă până în 2018 . Alte teste ar putea avea loc ulterior în spațiu.

Sursa de energie

Cea mai mare provocare cu dezvoltările MPD și VASIMR este generarea de energie electrică , care ar fi în gama de megawați în aplicații sensibile. O conversie din energie chimică ar reduce eficiența generală sub nivelul acționărilor chimice; Panourile solare sau bateriile izotopice nu ating acest nivel de performanță în dimensiunile obișnuite până acum. Prin urmare, planurile se bazează pe fisiunea nucleară sau fuziunea nucleară ca surse viitoare de energie pentru propulsia spațială.

Vezi si

• Unitate magnetohidrodinamică
• Lista navelor spațiale cu propulsie electrică

Link-uri web

• Explicație generală - Institutul pentru sisteme spațiale al Universității din Stuttgart
• Revizuirea tehnologiei: To Mars and Much Farther - Interviu cu Diaz despre VASIMR
• Ad Astra Rocket Company - dezvoltator al VASIMR
• Comunicat de presă privind starea prototipului VASIMR-VX-200 (fișier PDF; 91 kB)
• heise.de Newsticker - „Competiție pentru propulsia rachetelor”
• Naone, E.: Pe Marte și mult mai departe. Technology Review, 28 septembrie 2007
• Motor electrostatic cu efect Hall ( Memento din 15 septembrie 2007 în Internet Archive )

Dovezi individuale

1. ↑ Jurnal de știință online The Register of 28 octombrie 2008: Plasma rachetă spațiu unitate în testul cheie: Nuke tech ar putea transporta astronauți dincolo de Marte
2. ↑ Îmbunătățiri recente în ceea ce privește costurile de ionizare și eficiența încălzirii ionice a ciclotronului în motorul VASIMR (PDF; 1,3 MB) Adus la 11 ianuarie 2011.
3. ↑ Experimente VASIMR de mare putere (PDF; 817 kB) Accesat la 11 ianuarie 2011.
4. ↑ Comunicat de presă: prima etapă VASIMR VX-200 atinge puterea maximă. (PDF; 729 kB) Adus la 11 ianuarie 2011.
5. ↑ Thomas Hofstätter: Propulsia cu plasmă ar putea revoluționa călătoriile spațiale. raumfahrer.net, 10 iunie 2010, accesat la 17 decembrie 2013 . 
6. ^ Laboratorul de plasmă spațială ISS: un banc de lucru propus cu propulsie electrică pe orbită. (PDF; 2,7 MB) 6 octombrie 2013, accesat la 19 februarie 2014 . 
7. ^ NASA anunță noi parteneriate cu industria SUA pentru capacitățile cheie ale spațiului profund. 30 martie 2015, accesat la 10 septembrie 2015 . 
8. ↑ Articol: Măsurători de performanță VASIMR la o putere care depășește 50kW și aplicații de misiune robotică lunară. (PDF; 1,6 MB) Adus la 11 ianuarie 2011.
9. ↑ Comunicat de presă 011009, 30 septembrie 2009: VASIMR® VX-200 atinge un reper de 200 kW. (PDF; 331 kB) Adus la 11 ianuarie 2011.
10. ↑ AD ASTRA ROCKET COMPANY CÂȘTIGĂ CONTRACTUL MAJOR DE PROPULSIE AVANSATĂ DE LA NASA. (PDF; 90 kB) 31 martie 2015, accesat la 10 septembrie 2015 . 
11. ↑ Aethera Technologies Limited și Agenția Spațială Canadiană semnează un acord de cercetare și dezvoltare de 1,5 milioane USD, stimulând dezvoltarea VASIMR a companiei Ad Astra Rocket Company. În: Aethera Technologies. 26 iunie 2018, accesat la 18 decembrie 2018 . 
12. ↑ Interviu exclusiv cu Ad Astra Rocket , 27 mai 2019.