Cách thức hoạt động của tên lửa Plasma

Số năm. Bốn. Số ba. Hai. Một. Nổ ra! Trên bầu trời bắn một tàu tên lửa , nhanh chóng di chuyển ra ngoài bầu khí quyển của chúng ta và ra ngoài không gian. Trong nửa thế kỷ qua, con người đã từ chỉ kinh ngạc ngước nhìn những ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm thành thực sự sống hàng tháng trời trên Trạm Vũ trụ Quốc tế giữa các thiên thể. Và trong khi con người đã đặt chân lên mặt trăng, thì việc hạ cánh ở bất kỳ đâu xa hơn chỉ dành cho các robot và máy bay không người lái.

Một nơi mà mọi người rất muốn đến thăm là sao Hỏa. Bên cạnh những thách thức thực tế khi hạ cánh và dành thời gian ở một nơi không được chào đón như hành tinh đỏ, còn có một rào cản lớn khi thực sự đến được đó. Tính trung bình, sao Hỏa là khoảng 140 triệu dặm (225.300.000 km) từ Trái đất. Ngay cả khi vào thời điểm gần nhất của nó, nó vẫn còn khoảng 35 triệu dặm (56,3 triệu km) ra khỏi hành tinh chúng ta [source: St Fleur ]. Việc sử dụng các tên lửa hóa học thông thường thường đưa chúng ta vào không gian vũ trụ sẽ mất ít nhất bảy tháng để đến được đó - không chính xác là một khoảng thời gian ngắn [nguồn: Verhovek ]. Có cách nào chúng tôi có thể làm việc đó nhanh hơn không? Vào tên lửa plasma!

Thay vì sử dụng nhiên liệu tên lửa thông thường , các nhà khoa học và kỹ sư đã hướng tới lời hứa về tên lửa plasma có thể đẩy chúng ta đến những phạm vi xa hơn của không gian vũ trụ. Trong loại tên lửa này, sự kết hợp của điện trường và từ trường được sử dụng để phá vỡ các nguyên tử và phân tử của khí đẩy thành một tập hợp các hạt mang điện tích dương (ion) hoặc điện tích âm (electron). Nói cách khác, khí đẩy trở thành plasma.

Trong nhiều cấu hình của động cơ này, một điện trường sau đó được áp dụng để đẩy các ion ra phía sau động cơ, tạo lực đẩy cho tàu vũ trụ theo hướng ngược lại [nguồn: Zyga ]. Với công nghệ được tối ưu hóa này, về mặt lý thuyết, một con tàu vũ trụ có thể đạt tốc độ 123.000 dặm / giờ (198.000 km / giờ) [nguồn: Verhovek ]. Với tốc độ đó, bạn có thể đi từ New York đến Los Angeles trong một phút!

1. Plasma: Trạng thái vật chất thứ tư
2. Các loại tên lửa Plasma
3. Trạm dừng tiếp theo ... Sao Hỏa?

Thế giới thường được chia thành ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí. Khi vật chất lạnh đi, nó ở thể rắn. Khi nó nóng lên, nó chuyển thành chất lỏng. Khi nhiệt nhiều hơn được áp dụng, bạn nhận được một chất khí. Tuy nhiên, câu chuyện không kết thúc ở đó. Khi bạn thêm nhiều nhiệt hơn nữa, bạn sẽ nhận được - plasma! Năng lượng và nhiệt bổ sung phá vỡ các nguyên tử và phân tử trung hòa trong chất khí thành các ion mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Các hạt tích điện tạo cho plasma những đặc tính dẫn điện thú vị, vì vậy công nghệ plasma được sử dụng để chế tạo tất cả các loại vật dụng mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Chip máy tính, bảng hiệu đèn neon, thậm chí cả lớp phủ kim loại bên trong túi khoai tây chiên đều được tạo ra bằng công nghệ plasma. Và tất nhiên, có tivi plasmasử dụng plasma để giải phóng các photon ánh sáng, mang đến cho bạn màn hình màu của các pixel trên màn hình. Trên thực tế, 99 phần trăm vật chất thông thường trong vũ trụ ở trạng thái plasma [nguồn: Charles ].

Hầu hết các ngôi sao, bao gồm cả mặt trời của chúng ta, được tạo ra từ plasma. Nếu nó phổ biến như vậy trong vũ trụ, tại sao chúng ta không thấy nó nhiều trên Trái đất? Vâng, thực sự, chúng tôi làm. Các ánh sáng phía bắc và phía nam được tạo ra bởi gió mặt trời. Và gió mặt trời là gì? Huyết tương! Được rồi, không phải ai cũng đủ may mắn để xem những màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục này, nhưng bạn có thể thấy tia plasma hoạt động trong một màn trình diễn ánh sáng tuyệt vời khác do thiên nhiên cung cấp: một cơn bão. Khi dòng điện trong tia sét chạy qua không khí, nó cung cấp rất nhiều năng lượng cho các phân tử trên đường đi của nó đến mức các chất khí trong tia sét thực sự được chuyển hóa thành plasma.

Công nghệ Plasma cũng đã được sử dụng trong tên lửa để giúp chúng ta đi vòng quanh không gian vũ trụ và nó hứa hẹn nhiều nhất cho việc đưa con người đến những nơi mà chúng ta chỉ có thể mơ ước trước đây. Những tên lửa này cần phải ở trong chân không của không gian vũ trụ để hoạt động vì mật độ không khí gần bề mặt trái đất làm chậm gia tốc của các ion trong plasma cần thiết để tạo ra lực đẩy, vì vậy chúng tôi thực sự không thể sử dụng chúng để cất cánh từ Trái đất. Tuy nhiên, một số động cơ plasma này đã hoạt động trong không gian từ năm 1971. NASA thường sử dụng chúng để bảo trì Trạm Vũ trụ Quốc tế và các vệ tinh, cũng như nguồn chính để đẩy vào không gian sâu [nguồn: NASA ].

Tất cả các tên lửa plasma hoạt động trên cùng một loại nguyên tắc: Điện trường và từ trường hoạt động song song với nhau để đầu tiên biến đổi khí - thường là xenon hoặc krypton - thành plasma và sau đó tăng tốc các ion trong plasma ra khỏi động cơ với vận tốc hơn 45.000 dặm / giờ ( 72.400 kph), tạo ra một lực đẩy theo hướng di chuyển mong muốn [nguồn: Science Alert ]. Có nhiều cách mà công thức này có thể được áp dụng để tạo ra một tên lửa plasma đang hoạt động, nhưng có ba loại nổi bật là tốt nhất và hứa hẹn nhất [nguồn: Walker].

Máy đẩy hội trường là một trong hai loại động cơ plasma hiện đang được sử dụng thường xuyên trong không gian. Trong thiết bị này, điện trường và từ trường được thiết lập theo kiểu vuông góc trong buồng. Khi điện được gửi qua các trường đấu đôi này, các điện tử bắt đầu quay xung quanh cực nhanh theo các vòng tròn. Khi khí đẩy được phun vào thiết bị, các điện tử tốc độ cao đánh bật các điện tử ra khỏi các nguyên tử trong khí, tạo ra một plasma bao gồm các điện tử tự do (mang điện tích âm) và các nguyên tử hiện mang điện tích dương.(các ion) của chất đẩy. Các ion này bị bắn ra khỏi phía sau động cơ và tạo ra lực đẩy cần thiết để đẩy tên lửa về phía trước. Trong khi hai quá trình ion hóa và gia tốc của các ion xảy ra theo từng bước, chúng xảy ra trong cùng một không gian trong động cơ này. Máy đẩy Hall có thể tạo ra một lượng lực đẩy đáng kể cho nguồn điện đầu vào được sử dụng, vì vậy chúng có thể hoạt động cực kỳ nhanh. Nhưng có những giới hạn về hiệu quả sử dụng nhiên liệu của chúng.

Khi NASA đang tìm kiếm một động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn, nó chuyển sang động cơ ion dạng lưới. Trong thiết bị thường được sử dụng này, điện trường và từ trường nằm dọc theo các bức tường của buồng động cơ. Khi có nguồn điện, các electron năng lượng cao dao động trong và dọc theo từ trường gần các bức tường. Tương tự như thiết bị đẩy Hall, các electron có thể ion hóa khí đẩy thành plasma. Để thực hiện bước tiếp theo là tạo lực đẩy, người ta đặt các lưới điện ở cuối buồng nhằm đẩy nhanh các ion ra ngoài. Trong động cơ này, quá trình ion hóa và gia tốc xảy ra trong hai không gian khác nhau. Mặc dù động cơ ion dạng lưới tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ đẩy Hall, nhưng nhược điểm là nó không thể tạo ra nhiều lực đẩy trên một đơn vị diện tích. Tùy thuộc vào loại công việc mà họ muốn hoàn thành, các nhà khoa học và kỹ sư hàng không vũ trụ chọn động cơ nào phù hợp với sứ mệnh hơn.

Cuối cùng, có loại động cơ thứ ba: VASIMR, viết tắt của Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket . Tên lửa này, được phát triển bởi cựu phi hành gia Franklin Chang Diaz, hiện chỉ tồn tại trong giai đoạn thử nghiệm. Trong thiết bị này, các ion được tạo ra thông qua sóng vô tuyến do ăng-ten tạo ra để tạo thành plasma. Một ăng-ten khác ở phía hạ lưu bổ sung thêm năng lượng khiến các ion quay xung quanh thành một vòng tròn rất nhanh. Từ trường cung cấp hướng để các ion được giải phóng ra khỏi động cơ theo đường thẳng, do đó tạo ra lực đẩy. Nếu nó hoạt động, tên lửa này sẽ có phạm vi điều tiết rất lớn, điều mà động cơ đẩy Hall và động cơ điện lưới ion không thể đạt được một cách dễ dàng.

Tên lửa thông thường rất tuyệt vời và đã đưa chúng ta tiến xa, nhưng chúng có những hạn chế. Những tên lửa này cũng hoạt động trên cơ sở lực đẩy: Động cơ đốt cháy nhiên liệu, tạo ra một khí áp suất cao bị đẩy ra khỏi vòi tên lửa ở tốc độ cao và tên lửa bị đẩy theo hướng ngược lại [nguồn: Brain ]. Tuy nhiên, nhiên liệu tên lửa rất nặng và siêu kém hiệu quả. Nó không thể cung cấp đủ năng lượng để đến địa điểm nhanh chóng. Nhiên liệu tên lửa được đốt cháy trong nỗ lực rời khỏi trái đất và đi vào quỹ đạo, và sau đó về cơ bản, tàu vũ trụ buộc phải chỉ bờ biển [nguồn: Verhovek ].

Mặt khác, tên lửa plasma sử dụng ít nhiên liệu hơn rất nhiều so với các động cơ thông thường này - thực tế là ít hơn 100 triệu lần nhiên liệu [nguồn: Science Alert ]. Nó tiết kiệm nhiên liệu đến mức bạn có thể đi từ quỹ đạo của Trái đất đến quỹ đạo của mặt trăng chỉ với khoảng 30 gallon (113 lít) khí [nguồn: Charles ]. Tên lửa Plasma tăng tốc dần và có thể đạt tốc độ tối đa 34 dặm (55 km) mỗi giây hơn 23 ngày, đó là nhanh hơn so với bất kỳ tên lửa hóa học [nguồn bốn lần: Verhovek]. Thời gian di chuyển ít hơn đồng nghĩa với việc tàu gặp sự cố máy móc ít hơn và các phi hành gia bị phơi nhiễm bức xạ mặt trời, mất xương và teo cơ. Với VASIMR, về mặt lý thuyết, động cơ đẩy cũng sẽ có sẵn trong toàn bộ chuyến đi, có nghĩa là có thể thay đổi hướng bất cứ lúc nào.

Thực tế mà nói, tại thời điểm này, du hành tới sao Hỏa trong thời gian ngắn vẫn còn là một chặng đường dài. Để đạt được những khoảng cách cực xa này sẽ cần rất nhiều sức mạnh. Hầu hết các động cơ đẩy Hall và động cơ ion hòa lưới đều chạy bằng công suất khoảng 5 kilowatt. Để đạt được mức sức mạnh bạn cần để đến sao Hỏa trong khoảng 40 ngày, bạn cần ít nhất 200 lần số lượng đó [nguồn: Walker]. Nguồn năng lượng khả thi nhất để tạo ra lượng điện năng này khi ở ngoài không gian là các nguồn năng lượng hạt nhân được tích hợp trong động cơ. Tuy nhiên, tại thời điểm này, việc đặt một nguồn năng lượng hạt nhân trên một con tàu tên lửa mà chúng ta cho nổ từ trái đất vào không gian sẽ gây ra quá nhiều nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ trong trường hợp bị rơi.

Vì vậy, nguồn điện để đạt được những khoảng cách đó vẫn là một thách thức lớn. Chưa kể đến sự không chắc chắn về cách cơ thể con người sẽ phản ứng để đi du lịch 34 dặm (54 km) mỗi giây (như trái ngược với 4,7 dặm hoặc 7,5 km mỗi phi hành gia thứ hai đi du lịch để có được để giảm quỹ đạo trái đất trong tên lửa thông thường) [nguồn: Verhovek , Nhóm lý luận định tính Đại học Northwestern ]. Nhưng về lý thuyết, được cung cấp đủ sức mạnh, những động cơ này có khả năng đến sao Hỏa trong khoảng 40 ngày, một kỳ tích mà chúng ta không dám mơ có thể thực hiện chỉ 50 năm trước.

Xuất bản lần đầu: 29 tháng 9, 2016

Tên lửa plasma là gì?

Tên lửa plasma có thể bay nhanh đến mức nào?

Động cơ nhanh nhất để du hành vũ trụ là gì?

Các loại động cơ plasma khác nhau là gì?

Động cơ VASIMR có thể chạy nhanh đến mức nào?

Ghi chú của tác giả: Tên lửa Plasma hoạt động như thế nào

Đầu tiên tôi đọc "The Martian", và bây giờ tôi đã viết bài này. Tôi chưa bao giờ vui mừng về sao Hỏa như vậy! Tôi không chắc mình có muốn tự mình đến đó không, nhưng tiếp thêm sức mạnh cho các phi hành gia, những người một ngày nào đó có thể bước trên hành tinh đỏ!

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn