Een fysicus van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een nieuw type raketmotor voorgesteld die de mensheid naar Mars en verder zou kunnen brengen.

Het apparaat zou magnetische velden toepassen om plasmadeeltjes te veroorzaken, elektrisch geladen gas ook bekend als de vierde toestand van materie, om uit de achterkant van een raket te schieten en, vanwege het behoud van momentum, het vaartuig voortstuwen. Huidige in de ruimte bewezen plasma-stuwraketten gebruiken elektrische velden om de deeltjes voort te stuwen.

Het nieuwe concept zou de deeltjes versnellen met behulp van magnetische herverbinding, een proces dat in het hele universum voorkomt, inclusief het oppervlak van de zon, waarin magnetische veldlijnen samenkomen, plotseling gescheiden, en dan weer samenkomen, veel energie produceren. Herverbinding vindt ook plaats in donutvormige fusie-apparaten die bekend staan ​​​​als tokamaks.

"Ik kook dit concept al een tijdje, " zei PPPL hoofdonderzoeksfysicus Fatima Ebrahimi, de uitvinder van het concept en auteur van een paper waarin het idee in de Journal of Plasma Physics . "Ik kreeg het idee in 2017 terwijl ik op een dek zat en nadacht over de overeenkomsten tussen de uitlaat van een auto en de hogesnelheidsuitlaatdeeltjes gecreëerd door PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX), " de voorloper van de huidige vlaggenschipfusiefaciliteit van het laboratorium. "Tijdens de werking ervan, deze tokamak produceert magnetische bellen, plasmoïden genaamd, die met ongeveer 20 kilometer per seconde bewegen, die leek mij veel op stuwkracht."

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99% van het zichtbare universum vertegenwoordigen - om enorme hoeveelheden energie te genereren. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Huidige plasma-stuwraketten die elektrische velden gebruiken om de deeltjes voort te stuwen, kunnen slechts een lage specifieke impuls produceren, of snelheid. Maar computersimulaties uitgevoerd op PPPL-computers en het National Energy Research Scientific Computing Center, een DOE Office of Science User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Californië, toonde aan dat het nieuwe plasma-thruster-concept uitlaatgassen kan genereren met snelheden van honderden kilometers per seconde, 10 keer sneller dan die van andere boegschroeven.

Die hogere snelheid aan het begin van de reis van een ruimtevaartuig zou de buitenste planeten binnen het bereik van astronauten kunnen brengen, zei Ebrahim. "Verre reizen duurt maanden of jaren omdat de specifieke impuls van chemische raketmotoren erg laag is, dus het duurt even voordat het vaartuig op snelheid is, "zei ze. "Maar als we stuwraketten maken op basis van magnetische herverbinding, dan zouden we mogelijk langeafstandsmissies in een kortere tijd kunnen voltooien."

Er zijn drie belangrijke verschillen tussen het boegschroefconcept van Ebrahimi en andere apparaten. De eerste is dat het veranderen van de sterkte van de magnetische velden de hoeveelheid stuwkracht kan vergroten of verkleinen. "Door meer elektromagneten en meer magnetische velden te gebruiken, je kunt in feite aan een knop draaien om de snelheid te verfijnen, ' zei Ebrahim.

Tweede, de nieuwe boegschroef produceert beweging door zowel plasmadeeltjes als magnetische bellen uit te werpen die bekend staan ​​​​als plasmoïden. De plasmoids voegen kracht toe aan de voortstuwing en geen enkel ander boegschroefconcept bevat ze.

Derde, in tegenstelling tot de huidige boegschroefconcepten die afhankelijk zijn van elektrische velden, de magnetische velden in het concept van Ebrahimi zorgen ervoor dat het plasma in de boegschroef kan bestaan ​​uit zware of lichte atomen. Deze flexibiliteit stelt wetenschappers in staat om de hoeveelheid stuwkracht voor een bepaalde missie aan te passen. "Terwijl andere stuwraketten zwaar gas nodig hebben, gemaakt van atomen zoals xenon, in dit concept kunt u elk type gas gebruiken dat u wilt, "Zei Ebrahimi. Wetenschappers geven in sommige gevallen misschien de voorkeur aan licht gas omdat de kleinere atomen sneller kunnen bewegen.

Dit concept verbreedt PPPL's ​​portfolio van onderzoek naar ruimtevoortstuwing. Andere projecten zijn onder meer het Hall Thruster-experiment dat in 1999 werd gestart door PPPL-natuurkundigen Yevgeny Raitses en Nathaniel Fisch om het gebruik van plasmadeeltjes voor bewegende ruimtevaartuigen te onderzoeken. Raitses en studenten onderzoeken ook het gebruik van kleine Hall-stuwraketten om kleine satellieten, CubeSats genaamd, meer wendbaarheid te geven terwijl ze om de aarde draaien.

Ebrahimi benadrukte dat haar boegschroefconcept rechtstreeks voortkomt uit haar onderzoek naar fusie-energie. "Dit werk is geïnspireerd op fusiewerk in het verleden en dit is de eerste keer dat plasmoïden en herverbinding zijn voorgesteld voor voortstuwing van de ruimte, "Zei Ebrahimi. "De volgende stap is het bouwen van een prototype!"