Вселенная состоит из плазмы — газа настолько горячего, что его частицы электрически заряжены. Это делает его легко подверженным влиянию магнитных полей и сил, что может привести к сложному поведению.
Плазма встречается по всей солнечной системе в таких местах, как планетная магнитосфера, солнечный ветер и хвосты комет.Магнитные поля, растянутые потоками плазмы, приводящие к увеличению компоненты поля вдоль потока плазмы, часто можно наблюдать в космосе. Напротив, ученые в наземных лабораториях часто видят, что магнитное поле уменьшается плазмой из-за ее диамагнетизма. Это означает, что плазма может генерировать магнитное поле в направлении, противоположном приложенному, поэтому силовые линии расходятся.
Исследователи из Университета Тохоку пытались выяснить, как на поток плазмы влияет окружающая среда, с помощью лабораторных экспериментов. И при этом продвинулись вперед в исследованиях по созданию безэлектродного плазменного двигателя, используемого для приведения в движение космических аппаратов.Есть много методов движения, используемых для ускорения космических кораблей и искусственных спутников.
И хотя у каждого из них есть свои плюсы и минусы, электрические двигатели в настоящее время являются зрелыми и широко используются. Технология, лежащая в основе плазменного двигателя с электрическим приводом, может обеспечить большую плотность тяги без необходимости подвергать электроды воздействию плазмы, что со временем сокращает повреждения от эрозии.В то время как почти все космические корабли используют химические ракеты для запуска, как только оборудование находится в космосе, двигательная установка все еще необходима для маневрирования корабля для поддержания орбитальной станции, миссий снабжения и исследования космоса. Здесь предпочтительна электрическая силовая установка с более высокой скоростью выхлопа, поскольку она обычно использует меньше топлива, чем химические ракеты.
Поскольку на космических аппаратах сложно производить общий ремонт после того, как они покинули Землю, надежность их внутренних компонентов имеет важное значение для долгосрочных миссий.
Некоторые новые концепции плазменных двигателей включают в себя расширяющееся магнитное поле, называемое магнитным соплом (MN), в котором плазма самопроизвольно ускоряется для движения космического корабля при выходе в космос.Индуцированная МН сила, приводящая в движение космический аппарат, была продемонстрирована в лабораторных экспериментах и возникает в плазме, индуцирующей магнитное поле в направлении, противоположном приложенному.
Это работает как магниты, у которых N полюсов обращены друг к другу: один будет толкать другой. Точно так же плазма в двигательном МН существенно расходится в магнитном поле. Но поскольку магнитные поля замкнуты и повернуты обратно к космическому кораблю, плазма под влиянием поля поворачивается обратно, делая нулевую тягу.
Для преодоления этой проблемы и отделения плазмы от МН был предложен сценарий, в котором силовые линии магнитного поля растягиваются на бесконечность потоком плазмы. До сих пор большинство лабораторных экспериментов было сосредоточено на расходящемся МН, а не на растянутом поле.В своей лаборатории в Университете Тохоку Кадзунори Такахаши и Акира Андо использовали другой подход и успешно наблюдали пространственный переход между двумя состояниями плазмы, расходящимися и растягивающими МН.
Здесь они идентифицировали переход, когда растяжение поля было обнаружено в области ниже по потоку от MN, тогда как состояние плазмы, расходящееся от MN (т. Е. Создание тяги со стороны MN), все еще сохранялось в области выше по потоку от MN.
Этот результат может означать, что поток плазмы может направлять магнитное поле в космос, поддерживая создание тяги МН. Хотя считалось, что растяжение магнитного поля происходит, когда поток плазмы достигает определенной скорости, называемой альфвеновской скоростью, эксперимент показывает, что на самом деле это происходит с более медленной скоростью, чем ожидалось.
На данный момент изменение напряженности поля составляет лишь несколько процентов от приложенной напряженности магнитного поля, но это важный первый шаг к решению проблемы отделения плазмы от МН в плазменном двигателе малой тяги.Кроме того, этот эксперимент, по-видимому, дает некоторые подсказки о поведении плазмы в различных средах, преодолевая разрыв между лабораторией и миром природы.По-прежнему необходимы дальнейшие подробные эксперименты с широким диапазоном параметров, теоретическое моделирование и численное моделирование.
Подробную информацию можно найти в статье, опубликованной Physical Review Letters.