Jeśli zamierzasz latać w kosmosie, potrzebujesz jakiegoś systemu napędowego. Nowa technologia pchania zwana dwuwarstwowym silnikiem strumieniowym Helicon może być jeszcze bardziej wydajna dzięki zastosowaniu paliwa. Dr Christine Charles z Australian National University w Canberze jest wynalazcą.
Posłuchaj wywiadu: Prototyp Thrustera Plazmowego (5,5 MB)
Lub subskrybuj podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser: Czy możesz mi powiedzieć o technologii wymuszania, którą wynalazłeś?
Dr Christine Charles: Okej, ten ster strumieniowy nazywa się HDLT, co oznacza Helicon Double Layer Thruster, i jest nowym rodzajem zastosowania steru plazmowego do podróży w kosmos. Podstawą jest nasza wiedza specjalistyczna w zakresie technologii plazmy, plazmy kosmicznej, obróbki plazmowej do obróbki powierzchni i wielu innych zastosowań.
Fraser: Tak więc ulubionym silnikiem zestawu do eksploracji kosmosu jest obecnie silnik jonowy, który wykazał całkiem dobre osiągi jako silnik o niskim zużyciu paliwa. W jaki sposób silnik, nad którym pracujesz, odnosi się do silnika jonowego? Czy możesz dać ludziom jakiś kontekst?
Dr Charles: Tak, istnieją pewne wspólne aspekty i bardzo różne aspekty. Najpierw silnik jonowy został z powodzeniem opracowany w przeszłości - nie wiem - około 50 lat. Teraz jest dość dobrze rozwinięty. Ale ster strumieniowy HD ma kilka interesujących zalet. Po pierwsze, nie używa żadnych elektrod. Tak więc w silniku jonowym masz szereg siatek przyspieszających jon. Nasz ster strumieniowy nie ma elektrod, mamy nowy rodzaj mechanizmu przyspieszania, który nazywamy podwójną warstwą. Dlatego nazywamy to HDLT: Helicon Double Layer Thruster. Nie ma elektrod, co oznacza, że ma długą żywotność, ponieważ nie masz erozji elektrod. Drugim, bardzo ważnym aspektem jest to, że patrząc na urządzenia takie jak silniki jonowe, emitują one jony. Musisz więc mieć zewnętrzne źródło elektronów, aby zneutralizować te jony, i to na ogół dzieje się, mając drugie urządzenie z boku steru strumieniowego, które nazywa się urządzeniem z wydrążoną katodą. W rzeczywistości masz dwa urządzenia w silniku jonowym. Często ponieważ obawiają się, że te urządzenia z pustą katodą mogą zawieść, nakładają dwa z nich, aby wydłużyć ich żywotność. Ale w HDLT faktycznie emitujemy plazmę, która sama w sobie zawiera naddźwiękową wiązkę jonów. Mamy więc naddźwiękową wiązkę jonów, która jest głównym źródłem ciągu, gdy opuszcza ona pędnik, ale mamy również plazmę, która emituje wystarczającą ilość elektronów, aby zneutralizować wiązkę. Nie potrzebujemy więc tego zewnętrznego urządzenia, które jest neutralizatorem. To bardzo dobrze, ponieważ może zapewnić bezpieczeństwo i prostotę - nie ma ruchomych części - dzięki czemu HDLT jest bardzo atrakcyjny dla bardzo głębokich podróży kosmicznych; długa żywotność. Inną zaletą jest to, że ponieważ używamy drugiej koncepcji zwanej plazmą helikalną, jest to bardzo skuteczny sposób przenoszenia elektryczności na naładowane cząsteczki w plazmie. Oznacza to, że możemy uzyskać naprawdę gęste plazmy z dużą ilością jonów i możemy zwiększyć moc. Możemy więc prawdopodobnie zwiększyć nawet do 100 kilowatów. Nie zostało to jeszcze zrobione tutaj w prototypie, ponieważ nasz pierwszy prototyp miał zaledwie 1 kilowat. Ale inne eksperymenty sugerują, że przy naszym typie plazmy możemy naprawdę zwiększyć moc, a aby to zrobić za pomocą silnika jonowego, w zasadzie najważniejsze jest to, że gdy przekroczysz kilka kilowatów, musisz mieć klaster pędniki.
Powiedziałbym, że dla HDLT są naprawdę wczesne dni, ale głównymi zaletami są dłuższa żywotność, prostota, skalowalność i bezpieczeństwo. Jest także bardzo oszczędny, co jest bardzo dobre.
Fraser: Pod względem wydajności silniki jonowe mogą wytrzymać ciężar kawałka papieru, ale potrafią to robić przez lata i zwiększać siłę ciągu. Mówisz, że możesz użyć większego ciągu?
Dr Charles: W tej chwili silniki jonowe są zdecydowanie najlepsze pod względem ciągu, jak na kilowat. A prototyp HDLT, który jest tylko koncepcją i ma mniej niż 1 kilowat, nie pasuje do ciągu. Jeśli weźmiesz przykład silnika jonowego, zwykle ma on 100 milionów niutonów na jeden kilowat. W tej chwili mówimy prawdopodobnie 3-5 razy mniej, ale musisz zobaczyć, że nie mieliśmy 20 lat rozwoju. Są wczesne dni i na pewno możemy ulepszyć technologię.
Fraser: A potem, jak rozumiem teraz, Europejska Agencja Kosmiczna wybrała technologię i przeprowadza pewne wewnętrzne testy. A jak im poszło?
Dr Charles: Dobra, mieli kilka projektów. Pierwszą rzeczą jest to, że mieliśmy dotację w Australii od agencji finansującej, i to było w latach 2004-2005. I zaprojektowaliśmy i wyprodukowaliśmy pierwszy prototyp HDLT, który przynieśliśmy do ESA w kwietniu ubiegłego roku i który testowaliśmy przez miesiąc. Mieliśmy ograniczone fundusze, więc nie mogliśmy go przetestować przez ponad miesiąc. To pokazało, że wszystkie aspekty steru strumieniowego działały idealnie. Ale przetestowaliśmy wszystkie moce, jakie mogliśmy, i mieliśmy różne ciśnienia gazu itp. Nie mieliśmy diagnostyki potrzebnej do zmierzenia ciągu, więc nie wiedzieliśmy, jaki jest rzeczywisty ciąg. Siła, którą mamy, jest tym, co możemy zmierzyć za pomocą wiązki jonów w Australii - to wciąż jest do zrobienia. Opiera się na nowej koncepcji podwójnej warstwy, o której musieliśmy przekonać ludzi. ESA uznało, że to naprawdę interesujące, dlatego postanowili przeprowadzić niezależne badania w celu potwierdzenia efektu podwójnej warstwy. Jest to podstawowa koncepcja steru strumieniowego; mechanizm przyspieszenia. Więc teraz naprawdę musimy zobaczyć, o co chodzi.
Co to jest podwójna warstwa? Możesz sobie tylko wyobrazić, że jest jak rzeka i nagle koryto rzeki spada, tworząc wodospad. Następnie masz jony, które spadają z tego wodospadu, przyspieszają, a następnie łączą się z rakietą z dużą prędkością spalin. Zatem podwójna warstwa jest potencjalnym spadkiem plazmy. Co ciekawe, w HDLT nie mamy żadnych elektrod; plazma po prostu decyduje się to zrobić, używając pewnego pola magnetycznego, jakim jest butelka magnetyczna lub dysza. I to wszystko. To tak, jakby mieć wodospad bez przepompowywania wody. To jest podstawowa koncepcja.
Dlatego ESA przeprowadziło to niezależne badanie w celu potwierdzenia koncepcji podwójnej warstwy. Czy widziałeś najnowszą informację prasową?
Fraser: Tak, mam.
Dr Charles: Więc było to ostatnie badanie przeprowadzone przez Australię. Mamy pierwszy prototyp i pokazaliśmy kilka aspektów; chociaż ciąg nie został jeszcze zmierzony w komorze symulacji kosmicznej. ESA zatwierdziła również koncepcję steru strumieniowego, która jest koncepcją dwuwarstwową. Tak więc w tej chwili jesteśmy.
Fraser: Więc jakie rodzaje misji sądzisz, że ster strumieniowy HDLT byłby lepszy?
Dr Charles: Muszą to być naprawdę długie misje, w których musisz iść powoli, ale przez długi czas. Ma też ten fajny aspekt bezpieczeństwa. Może być wykorzystywany do załogowych lotów kosmicznych. Tak więc to naprawdę dotyczy misji kosmicznych lub podróży na Marsa ... takie rzeczy.
Fraser: Rozumiem. Myślę, że jedną z jego głównych zalet jest to, że ma mniej ruchomych części - części, które mogłyby się zepsuć.
Dr Charles: I można zwiększyć moc, co również jest ważne. NASA przeprowadziła symulację tego, jakiego rodzaju mocy potrzebujesz, aby wysłać ludzi na Marsa, i to w zakresie megawatów. Więc będziesz musiał mieć moc. Musisz także być w stanie skalować silniki odrzutowe. Muszą być w stanie działać przy dużej mocy, aby wykonać zadanie. NASA pokazało, że jeśli mógłbyś mieć odpowiedni pędnik plazmowy lub rakietę plazmową, możesz skrócić czas podróży na Marsa, ponieważ jeśli użyjesz technologii plazmy, możesz użyć trajektorii geodezyjnych. Jeśli użyjesz napędu chemicznego, będziesz miał bardziej trajektorię balistyczną. Możesz na przykład ograniczyć podróże w czasie na Marsa.
Fraser: Jakie są zatem kolejne kroki w twoich badaniach?
Dr Charles: Cóż, robimy różne rzeczy równolegle. Nadal bardzo mocno pracujemy nad samą podwójną warstwą, ponieważ jest to bardzo fajny rodzaj fizyki, który ma wiele innych zastosowań dla zorzy lub przyspieszenia wiatru słonecznego itp. Mamy również nową komorę symulacji kosmicznej Australian National University. I zamontowaliśmy prototyp, który jest z powrotem z ESA, w tej komorze symulacji kosmicznej. I zaczniemy próbować mierzyć równowagę ciągu i inne sposoby, prawdopodobnie od stycznia 2006 r. I mogą pojawić się inne wiadomości, nie wiem. Zobaczymy jak to będzie. Na pewno będziemy się starać w tym temacie. To bardzo fascynujące, ponieważ wiele osób jest zainteresowanych wynikami.
Informacje o sterach strumieniowych HDLT od ANU
