Китайский прорыв
И вновь в топы научных новостей ворвался китайский Ухань. Но на этот раз китайцы переплюнули сами себя. Из обычной микроволновки и электронасоса дальневосточные умельцы смонстрячили плазменный двигатель. И он даже заработал.
На самом деле всё очень серьёзно. Исследователи из Уханьского университета под руководством инженера Даня Е опубликовали 5 мая 2020 года статью, в которой описали работающий прототип плазменного двигателя. Обошлось без зубодробительной физики, сложных формул и сомнительных гравитационных эффектов.
Принцип действия экспериментальной установки прост до безобразия. Компрессор подаёт воздух под давлением в кварцевую трубку, к которой подсоединён волновод. На одном из концов которого расположен магнетрон мощностью 1 кВт — то самое устройство, без которого мы не могли бы разогревать пищу в микроволновке. С помощью генерируемого им излучения 2,45 ГГц происходят нагрев и ионизация подаваемого воздуха. Получается плазма, которую потом отводят в «реактивное сопло» — кварцевую трубку диаметром 24 мм.
Так как на одном конце у нас прикреплена «микроволновка», получившуюся установку охлаждают водой. Без этой важной детали китайцы рисковали бы получить высокоплазменный электромангал.
Эксперимент оказался суперуспешным. Созданной тягой китайцы заставили подпрыгивать килограммовый стальной шар, который укрепили на конце импровизированного сопла. Немного экстраполировав получившиеся цифры — подъёмная сила 28 Н/кВт и давление 24 кН/кв.м, — авторы сделали серьёзный вывод: воздушноплазменный реактивный двигатель их типа может быть «жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе». Тройное комбо: не надо будет жечь нефтепродукты, загрязнять атмосферу углеродом, ещё и климат Земли спасём от перегрева.
Ну конечно же, можно сказать, что вот ради последнего-то всё и затевалось — заговор китайских экологов-атлантистов, не иначе. Но на самом деле всё гораздо печальнее.
Дьявол в деталях
Для начала — нельзя вот так взять и экстраполировать данные эксперимента на промышленный двигатель большей мощности. Во-первых, потому что реактивная тяга будет в тысячи раз выше, чем в установке. Во-вторых, удельная мощность, которая понадобится для ионизации, на порядки превзойдёт использованную при эксперименте — сотни кВт или даже МВт.
Откуда её возьмут? Из батареек для автомобиля Tesla Model S (310кВт), как предлагают авторы статьи? А охлаждающий контур? Это же кубометры воды или хладагента! У нас двигатель тогда будет напоминать летающий бассейн с малю-ю-юсеньким соплом. И по удельной мощности он явно проиграет своим углеводородным конкурентам.
Не выходит авиадвигатель из такого прототипа.
Можно сказать, что сенсация дутая, но есть нюанс. Китайцам удалось собрать прототип плазменного двигателя из нечистот и палок. Получившаяся удельная мощь в разы выше, чем у аналогов — немецких или разрабатываемых для НАСА по проекту «Рассвет». Простейшая схема, простейшие технические решения, обычный комнатный воздух для получения плазмы. На самом деле, есть место для неумеренного оптимизма: проблема-то инженерная. Ведь в конце концов — плазменный, или ионный двигатель уже почти несколько десятилетий используется в космосе. Мощность у него небольшая — тяги только и хватает, что ориентировать спутник на орбите. Но здесь важен опыт разработок, который есть у США, России, Японии, Китая.
Так может быть, какая-то космическая держава создаст работающий промышленный вариант?
Изображения микроволновой воздушно-плазменной струи при разных настройках мощности
Мирная космическая плазма
Плазменные двигатели для обывателя проходят в настоящее время примерно по той же категории, что и плазменные пушки и плазмоганы, — удивительные фантастические изобретения, предназначенные для защиты рубежей нашей галактики от зелёных человечков и рептилоидов.
Когда люди узнают, что плазменные двигатели в космосе используются с начала семидесятых годов, обычно их удивлению практически нет предела. Наверное, многие просто забыли школьный курс физики и уже не помнят, что плазма — это ионизированный газ, и самый простой способ увидеть её — плазменная лампа, изобретённая ещё Николой Теслой.
В настоящее время одни из самых популярных плазменных ракетных двигателей — это электроракетные двигатели на эффекте Холла. Работает такой двигатель от электрического тока, однако ему требуется и рабочее тело для движения (вещество, которое ионизируется и отбрасывается через сопло, за счёт чего движется космический аппарат. — Прим.ред.). Например, криптон или ксенон. Сам двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. В камеру с одной стороны подаётся рабочее тело, и за счёт разности потенциалов и эффекта Холла, создаваемого магнитной силой, ионы рабочего тела начинают двигаться к другому концу камеры, откуда и происходит истечение плазмы.
Двигатели на эффекте Холла 12,5кВт и 13кВт (фото: NASA)
Антон ЖелезнякЭксперт по техническим и инженерным вопросам
На самом деле с определениями конструкторы пока не договорились. Все виды таких двигателей называются ионными, а плазменный двигатель на эффекте Холла — это лишь один из вариантов конструкции электроракетного двигателя, использующего ионизированный газ. С другой стороны, иногда все такие двигатели называют плазменными. В общем, не бойтесь перепутать, вас поймут.
Работать такой двигатель может как в космосе, так и в атмосфере. Почему на Земле все до сих пор не летают на скейтах с плазмой? Причина проста: у плазменных двигателей просто ничтожная тяга по сравнению с химическими. На Земле тягу от такого двигателя почти не заметить, а вот в космосе, за счёт отсутствия атмосферы, плазменные двигатели можно использовать. В космосе становятся важны длительность работы такого двигателя и очень невысокий расход рабочего тела.
Некоторые современные образцы ионных двигателей могут работать от десяти до 100 тысяч часов, а у химических двигателей время работы исчисляется десятками минут. При этом ионному двигателю на несколько десятков тысяч часов работы требуется всего несколько центнеров рабочего тела, ну и постоянно получаемое электричество, конечно же. В космосе его вырабатывают или солнечные батареи, или РИТЭГи (радиоизотопный термоэлектрический генератор).
На плазменных крыльях
В настоящее время уже сотни космических аппаратов, оснащённых плазменными двигателями, бороздят космические просторы. Это и «Хаябуса» — японские миссии по сбору грунта с астероидов, и меркурианская миссия BepiColombo, и каждый из нескольких сотен космических аппаратов суперсозвездия Starlink, создаваемого компанией SpaceX.
К слову о выработке энергии. Плазменные двигатели — это основная часть разрабатывающегося в настоящее время «Роскосмосом» ядерного буксира, его энергодвигательной установки. Ядерный реактор этого космического аппарата будет вырабатывать электричество, подающееся на несколько плазменных электроракетных двигателей. Буксир будет требовать лишь заправки рабочим телом и за счёт длительной работы ионных двигателей сможет сократить время полёта до Марса и обратно в несколько раз. По некоторым подсчётам, такое путешествие будет занимать всего полтора-два месяца.
Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.