science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe plasmaraketten werken

De Ad Astra Rocket Company, een bedrijf voor ruimtevaarttechniek in Costa Rica, is gewijd aan de ontwikkeling van geavanceerde plasma raketvoortstuwingstechnologie. John B. Carnett/Bonnier Corporation

Vijf. Vier. Drie. Twee. Een. Schiet op! In de lucht schiet een raketschip, snel voorbij onze atmosfeer en de ruimte in. In de laatste halve eeuw, mensen zijn veranderd van alleen maar verbaasd opkijken naar de sterren die aan de nachtelijke hemel glinsteren, naar daadwerkelijk maandenlang leven op het internationale ruimtestation tussen de hemellichamen. En terwijl mensen voet op de maan hebben gezet, ergens verder weg landen is alleen voorbehouden aan onbemande vaartuigen en robots.

Een plaats waar mensen erg geïnteresseerd zijn om te bezoeken, is Mars. Afgezien van de werkelijke uitdagingen van landen en tijd doorbrengen op een plek die zo ongastvrij is als de rode planeet, er is de grote hindernis om er daadwerkelijk te komen. Gemiddeld, Mars is ongeveer 140 miljoen mijl (225,3 miljoen kilometer) van de aarde. Zelfs wanneer op het dichtstbijzijnde punt, het is nog steeds zo'n 35 miljoen mijl (56,3 miljoen kilometer) verwijderd van onze planeet [bron:St. Fleur]. Het gebruik van de conventionele chemische raketten die ons doorgaans de ruimte in brengen, zou minstens zeven maanden duren om daar te komen - niet bepaald een korte tijd [bron:Verhovek]. Is er een manier waarop we het misschien sneller kunnen doen? Betreed de plasmaraket!

In plaats van conventionele raketbrandstof te gebruiken, wetenschappers en ingenieurs hebben zich tot de belofte van plasmaraketten gewend om ons naar de verdere uithoeken van de ruimte te stuwen. In dit type raket, een combinatie van elektrische en magnetische velden wordt gebruikt om de atomen en moleculen van een drijfgas af te breken tot een verzameling deeltjes met een positieve lading (ionen) of een negatieve lading (elektronen). Met andere woorden, het drijfgas wordt een plasma.

In veel configuraties van deze motor, een elektrisch veld wordt vervolgens toegepast om de ionen uit de achterkant van de motor te werpen, die stuwkracht leveren aan het ruimtevaartuig in de tegenovergestelde richting [bron:Zyga]. Met deze technologie geoptimaliseerd, een ruimteschip zou theoretisch een snelheid van 123 kunnen bereiken, 000 mph (198, 000 km/u) [bron:Verhovek]. Met die snelheid, je zou in één minuut van New York naar Los Angeles kunnen komen!

Inhoud
  1. Plasma:de vierde staat van materie
  2. Soorten plasmaraketten
  3. Volgende halte ... Mars?

Plasma:de vierde staat van materie

Een man bekijkt 's werelds grootste HD-lcd-tv op een congres in Berlijn. Plasma-tv's zijn tegenwoordig heel gewoon. snapshot-fotografie/ullstein bild via Getty Images

De wereld wordt gewoonlijk onderverdeeld in drie toestanden van materie:vast, vloeistof en gas. Als materie koud is, het is solide. Naarmate het warmer wordt, het verandert in een vloeistof. Wanneer er meer warmte wordt toegepast, je krijgt benzine. Het verhaal stopt daar niet, echter. Als je nog meer warmte toevoegt, je krijgt - plasma! De extra energie en warmte splitsen de neutrale atomen en moleculen in het gas op in typisch positief geladen ionen en negatief geladen elektronen. De geladen deeltjes geven plasma interessante geleidende eigenschappen, dus plasmatechnologie wordt gebruikt om allerlei items te maken die we elke dag gebruiken. Computer chips, neonreclames, zelfs de metalen coating aan de binnenkant van een zak chips is gemaakt met behulp van plasmatechnologie. En uiteraard, er is de plasmatelevisie die plasma gebruikt om lichtfotonen vrij te geven, waardoor u een kleurenweergave van pixels op uw scherm krijgt. In feite, 99 procent van de gewone materie in het universum bevindt zich in de plasmatoestand [bron:Charles].

De meeste sterren, inclusief onze zon, zijn gemaakt van plasma. Als het zo wijdverbreid is in het universum, waarom zien we het niet veel op aarde? We zullen, eigenlijk, wij doen. Het noorder- en zuiderlicht worden gecreëerd door zonnewinden. En wat zijn zonnewinden? Plasma! OKE, niet iedereen heeft het geluk om deze spectaculaire lichtshows te zien, maar je kunt plasma in actie zien tijdens een andere geweldige lichtshow die de natuur biedt:een onweersbui. Terwijl de elektriciteit in bliksem door de lucht stroomt, het levert zoveel energie aan de moleculen op zijn pad dat de gassen in het bliksemspoor daadwerkelijk worden omgezet in plasma.

Plasmatechnologie is ook gebruikt in raketten om ons te helpen door de ruimte te reizen, en het houdt de meeste belofte in om mensen naar plaatsen te brengen waar we voorheen alleen maar van konden dromen. Deze raketten moeten in het vacuüm van de ruimte zijn om te werken, aangezien de dichtheid van lucht nabij het aardoppervlak de versnelling van de ionen in het plasma die nodig zijn om stuwkracht te creëren, vertraagt. dus we kunnen ze niet echt gebruiken om vanaf de aarde op te stijgen. Echter, sommige van deze plasmamotoren zijn sinds 1971 in de ruimte in gebruik. NASA gebruikt ze meestal voor onderhoud aan het internationale ruimtestation en satellieten, evenals de belangrijkste bron voor voortstuwing in de verre ruimte [bron:NASA].

Soorten plasmaraketten

De Costa Ricaanse astronaut en natuurkundige Franklin Chang Diaz legt de evolutie van zijn plasmamotorproject uit. MAYELA LOPEZ/AFP/Getty Images

Alle plasmaraketten werken volgens hetzelfde type principe:elektrische velden en magnetische velden werken zij aan zij om eerst een gas - meestal xenon of krypton - om te zetten in plasma en vervolgens de ionen in het plasma met meer dan 45 uit de motor te versnellen, 000 mph (72, 400 km/u), een stuwkracht creëren in de richting van de gewenste reis [bron:Science Alert]. Er zijn veel manieren waarop deze formule kan worden toegepast om een ​​werkende plasmaraket te maken, maar er zijn drie soorten die opvallen als de beste en meest veelbelovende [bron:Walker].

Hall stuwraketten zijn een van de twee soorten plasmamotoren die momenteel regelmatig in de ruimte worden gebruikt. Op dit apparaat, elektrische en magnetische velden worden loodrecht in de kamer opgesteld. Wanneer elektriciteit door deze duellerende velden wordt gestuurd, de elektronen beginnen supersnel in cirkels rond te suizen. Terwijl het drijfgas in het apparaat wordt gespoten, de snelle elektronen slaan elektronen van de atomen in het gas, het creëren van een plasma bestaande uit de vrije elektronen (met negatieve ladingen) en de nu positief geladen atomen (ionen) van het drijfgas. Deze ionen worden uit de achterkant van de motor geschoten en creëren de stuwkracht die nodig is om de raket vooruit te stuwen. Terwijl de twee processen van ionisatie en versnelling van de ionen in stappen plaatsvinden, ze komen voor in dezelfde ruimte in deze motor. Hall-thrusters kunnen een aanzienlijke hoeveelheid stuwkracht genereren voor het gebruikte ingangsvermogen, zodat ze ongelooflijk snel kunnen gaan. Maar er zijn grenzen aan hun brandstofefficiëntie.

Wanneer NASA op zoek is naar een motor die zuiniger is, het verandert in plaats daarvan in gerasterde ionenmotoren . In dit veelgebruikte apparaat elektrische en magnetische velden bevinden zich langs de wanden van de motorkamer. Wanneer elektrische stroom wordt toegepast, hoogenergetische elektronen oscilleren in en langs de magnetische velden nabij de muren. Op een vergelijkbare manier als de Hall-schroef, de elektronen zijn in staat om het drijfgas in een plasma te ioniseren. Om de volgende stap van het creëren van stuwkracht te doen, elektrische roosters worden aan het einde van de kamer geplaatst om de ionen te versnellen. Bij deze motor de ionisatie en versnelling gebeuren in twee verschillende ruimtes. Terwijl de gerasterde ionenmotor zuiniger is dan een Hall-thruster, het nadeel is dat het niet zoveel stuwkracht per oppervlakte-eenheid kan genereren. Afhankelijk van het soort werk dat ze willen doen, wetenschappers en ruimtevaartingenieurs kiezen welke motor het beste bij de missie past.

Eindelijk, er is het derde type motor:VASIMR, kort voor Variabele specifieke impuls Magnetoplasma Rocket . Deze raket, ontwikkeld door voormalig astronaut Franklin Chang Diaz, bestaat nu alleen in de testfase. Op dit apparaat, de ionen worden gecreëerd via radiogolven die door een antenne worden gegenereerd om het plasma te vormen. Een andere antenne verder stroomafwaarts voegt energie toe die ervoor zorgt dat de ionen heel snel in een cirkel ronddraaien. Een magnetisch veld zorgt voor directionaliteit, zodat de ionen in een rechte lijn uit de motor worden vrijgegeven, waardoor de stuwkracht wordt geleverd. Als het werkt, deze raket zal een enorm gasbereik hebben, iets dat de Hall-schroef en de ionenrastermotor niet zo gemakkelijk kunnen bereiken.

Volgende halte ... Mars?

Conventionele raketten zijn geweldig en hebben ons ver gebracht, maar ze hebben hun beperkingen. Deze raketten werken ook op basis van stuwkracht:de motor verbrandt brandstof, het creëren van een hogedrukgas dat met hoge snelheid uit het raketmondstuk wordt geduwd en de raket in de tegenovergestelde richting wordt voortgestuwd [bron:Brain]. Raketbrandstof, is echter erg zwaar en superinefficiënt. Het kan niet genoeg stroom leveren om snel plaatsen te krijgen. De raketbrandstof wordt verbrand in de poging om van de aarde en in een baan om de aarde te komen, en dan wordt het ruimteschip in feite gedwongen om gewoon te kusten [bron:Verhovek].

Een plasmaraket, anderzijds, verbruikt veel minder brandstof dan deze conventionele motoren – 100 miljoen keer minder brandstof, in feite [bron:Science Alert]. Het is zo zuinig met brandstof dat je van de baan van de aarde naar de baan van de maan kunt gaan met slechts ongeveer 113 liter gas [bron:Charles]. Plasmaraketten versnellen geleidelijk en kunnen in 23 dagen een maximumsnelheid van 55 kilometer per seconde bereiken, die vier keer sneller is dan welke chemische raket dan ook [bron:Verhovek]. Minder tijd besteed aan reizen betekent minder risico dat het schip mechanische storingen ondervindt en astronauten worden blootgesteld aan zonnestraling, botverlies en spieratrofie. Met VASIMR, voortstuwing zal in theorie ook gedurende de hele reis beschikbaar zijn, wat betekent dat richtingsveranderingen op elk moment mogelijk kunnen zijn.

Om realistisch te zijn, op dit punt, in korte tijd naar Mars reizen is nog ver weg. Voor het bereiken van dit soort extreme afstanden is veel kracht nodig. De meeste Hall-thrusters en gridded ion-motoren draaien op ongeveer 5 kilowatt vermogen. Om het krachtniveau te bereiken dat je nodig hebt om Mars in ongeveer 40 dagen te bereiken, je zou minstens 200 keer dat bedrag nodig hebben [bron:Walker]. De meest levensvatbare energiebron om deze hoeveelheid energie op te wekken terwijl ze zich in de ruimte bevinden, zijn kernenergiebronnen die in de motor zijn ingebouwd. Momenteel, echter, het plaatsen van een kernenergiebron op een raketschip dat we vanaf de aarde de ruimte in schieten, vormt een te grote dreiging van blootstelling aan straling in het geval van een crash.

De krachtbron om die afstanden te bereiken blijft dus een grote uitdaging. Om nog maar te zwijgen van de onzekerheid over hoe het menselijk lichaam zou reageren op het reizen van 54 kilometer per seconde (in tegenstelling tot de 4,7 mijl of 7,5 kilometer per seconde die astronauten reizen om in conventionele raketten in een lagere baan om de aarde te komen) [bronnen:Verhovek , Northwestern University Kwalitatief Redeneren Groep]. Maar in theorie, voldoende kracht gegeven, deze motoren kunnen Mars in ongeveer 40 dagen bereiken, een prestatie waarvan we 50 jaar geleden niet hadden durven dromen.

Oorspronkelijk gepubliceerd:29 september, 2016

Veelgestelde vragen over Plasma Rocket

Wat is een plasmaraket?
In dit type raket, een combinatie van elektrische en magnetische velden wordt gebruikt om de atomen en moleculen van een drijfgas af te breken tot een verzameling deeltjes met een positieve lading (ionen) of een negatieve lading (elektronen). Met andere woorden, het drijfgas wordt een plasma.
Hoe snel kan een plasmaraket gaan?
Met deze technologie geoptimaliseerd, een ruimteschip zou theoretisch een snelheid van 123 kunnen bereiken, 000 mph (198, 000 km/u). Met die snelheid, je zou in één minuut van New York naar Los Angeles kunnen komen!
Wat is de snelste motor voor ruimtereizen?
Momenteel is de Parker Solar Probe, die in 2018 werd gelanceerd om de zon te bestuderen, is het snelste door mensen gemaakte object ooit, inclusief ruimtevaartuig. Volgens NASA, daten, het heeft snelheden van 244 bereikt, 255 mijl per uur (393, 044 kilometer per uur) en verwachtte een topsnelheid van ongeveer 430 te bereiken, 000 mijl per uur in 2024.
Wat zijn de verschillende soorten plasmamotoren?
Hall stuwraketten, gerasterde ionenmotoren en Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASMIR).
Hoe snel kan de VASIMR-motor gaan?
Volgens Ad Astra Rocket Company, het bedrijf achter de VASIMR, de VASIMR heeft geen maximale snelheid. In plaats daarvan zal de raket zijn ruimtevaartuig blijven versnellen totdat de brandstof op is.

Veel meer informatie

Notitie van de auteur:Hoe plasmaraketten werken

Eerst las ik "The Martian, " en nu heb ik dit artikel geschreven. Ik ben nog nooit zo enthousiast geweest over Mars! Ik weet niet zeker of ik er zelf heen zou willen, maar meer kracht voor de astronauten die ooit op de rode planeet zullen lopen!

gerelateerde artikelen

  • Hoe astronauten werken
  • Hoe raketmotoren werken
  • Hoe plasmaschermen werken
  • Hoe werkt een landing op Mars?
  • Hoe Fusion Propulsion zal werken

Meer geweldige links

  • NASA-afbeelding van de dag
  • Visioenen van de toekomst:ruimteverkenningsposters van het NASA Jet Propulsion Laboratory

bronnen

  • Allain, Rhet. "Wat is er zo speciaal aan een lage baan om de aarde?" Bedrade. 15 september 2015. (25 aug. 2016) http://www.wired.com/2015/09/whats-special-low-earth-orbit/
  • Brein, Marshall. "Hoe raketmotoren werken." HowStuffWorks.com. 1 april, 2000. (25 aug. 2016) https://science.howstuffworks.com/rocket.htm
  • Karel, Christine. "De vierde toestand van materie - plasma." TEDx-Canberra. 3 november 2014. (24 aug. 2016) https://www.youtube.com/watch?v=n-17xqfF4FU
  • Harrie, Tom. "Hoe plasmaschermen werken." HowStuffWorks.com 19 maart 2002. (9 september 2016) https://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm
  • Nadi's, Steve. "De revolutionaire raket die mensen naar Mars kan vervoeren." Ontdek Tijdschrift. 18 april 2014. (24 aug. 2016) http://discovermagazine.com/2014/may/12-rocketman
  • Nasa. "Overzicht van Hall Thrusters." (30 aug., 2016) http://www.grc.nasa.gov/WWW/hall/overview/overview.htm
  • Nasa. "Drie Klassen van Orbit." (25 aug. 2016) http://earthobservatory.nasa.gov/Features/OrbitsCatalog/page2.php
  • Northwestern University Kwalitatief Redeneren Groep. "Hoe snel kunnen conventionele raketten gaan?" (9 sept. 2016) http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/propulsion/2-how-fast-conventional.html
  • Wetenschapswaarschuwing. "Deze plasmamotor zou mensen naar Mars kunnen brengen met 100 miljoen keer minder brandstof." 28 okt. 2015. (25 aug. 2016) http://www.sciencealert.com/this-plasma-engine-could-get-humans-to-mars-on-100-million-times-less-fuel
  • St. Fleur, Nicolaas. "Een nauwe ontmoeting voor de aarde en Mars." New York Times. 30 mei 2016. (9 september 2016) http://www.nytimes.com/2016/05/31/science/mars-earth-closest-approach.html?_r=0
  • Verhovek, Sam Hoe. "De 123, 000 MPH-plasmamotor die eindelijk astronauten naar Mars kan brengen." Popular Science. 13 oktober, 2010. (24 augustus, 2016) http://www.popsci.com/technology/article/2010-10/123000-mph-plasma-engine-could-finally-take-astronauts-mars
  • wandelaar, Mitchel. Universitair hoofddocent Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Georgia Instituut van Technologie. Persoonlijk interview. 25 augustus 2016.
  • Zyga, Lisa. "Plasmaraket zou in 39 dagen naar Mars kunnen reizen." Phys.org. 6 okt. 2009. (24 aug. 2016) http://phys.org/news/2009-10-plasma-rocket-mars-days.html

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat is de functie van het enzym ligase bij het vormen van recombinant DNA?
  2. Lysosoom: definitie, structuur en functie
  3. Cat Chromosome Information
  4. Wat zijn drie primaire doelen van mitose?
  5. Chemische reacties vereist voor het onderhoud van Homeostasis
  6. De verschillen tussen monosachariden en polysachariden
  7. Kan gezichtsblindheid verklaren waarom die persoon op het werk mij nooit gedag zegt?
  8. Nutrient Agar vs. Blood Agar
  9. Wat is het verschil tussen prokaryotische en eukaryote cellen?

Wetenschap