Полет человека на Марс упростится — спасибо магнитному ракетному двигателю

Самым большим препятствием на пути человечества к освоению космоса являются двигатели, используемые для перемещения космических аппаратов через Солнечную систему и за ее пределы. Химические ракеты могут развивать внушительную тягу, но имеют очень небольшой удельный импульс. Электрические двигательные установки, такие как двигатели Холла, наоборот, создают небольшую тягу, но могут постепенно развивать большую скорость.

К сожалению, оба этих двигателя не очень подходят для перевозки астронавтов на Марс на борту корабля весом в десятки, если не сотни тонн. Один может дать быстрый старт, а другой — медленный, но оба они означают долгое и опасное путешествие продолжительностью в месяцы, если не в годы. В идеале здесь нужен двигатель, который сочетает в себе свойства и электрического, и химического «коллег», и он должен иметь хорошую тягу и большой импульс.

Новая концепция двигателя, предложенная физиком из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL), работает с использованием того же механизма, что и солнечные вспышки. Эти вспышки состоят из заряженных атомов и частиц, называемых плазмой, которые удерживаются в мощных магнитных полях, где происходят сложные взаимодействия.

Разработчики опирались на такое явление, как магнитное пересоединение, когда магнитные поля в сильно заряженной плазме реструктурируются, чтобы сходиться вместе, быстро разделяться и повторно сходиться. При этом они генерируют большое количество кинетической, тепловой энергии и вызывают ускорение частиц. Это явление наблюдается не только на Солнце, но также в атмосфере Земли и внутри термоядерного токамака — тороидальной камеры для магнитного удержания плазмы.

В целом, магнитный двигатель малой тяги подобен ионным двигателям, которые становятся все более распространенными на космических кораблях. Они работают, заряжая топливо, состоящее из тяжелых атомов, и затем ускоряют их с помощью электрического поля. В новом двигателе ускорение создают магнитные поля.

На данный момент компьютерное моделирование показывает, что двигатель на основе магнитного пересоединения может генерировать выхлоп, который в 10 раз быстрее, чем у современных электрических двигательных систем.

Сейчас космическое путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал — кораблю требуется время, чтобы набрать скорость. Но двигатели, основанные на магнитном пересоединении, помогут выполнять дальние миссии за более короткий период времени.

Еще один плюс магнитного двигателя — возможность регулировки за счет точной настройки магнитных полей. Изменение силы магнитного поля может увеличить или уменьшить тягу. Просто используя больше электромагнитов и магнитных полей, можно точно регулировать скорость.

Кроме того, такие двигатели выбрасывают не только плазму, но и плазмоиды — плазменные сгустки, заключенные в магнитные пузырьки, а это генерирует еще больше энергии. Также двигателю не требуется тяжелый газ — в нем можно использовать любой тип газа, в том числе более легкий и дешевый.

Идея подробно изложена в Journal of Plasma Physics.