Новый ионный двигатель ставит рекорд эффективности

Австралийский ученый Патрик Нейман предложил новый тип сверхэкономичного ионного двигателя для космических аппаратов. В качестве горючего двигатель использует металл, углерод и позволяет слетать на Марс и обратно на одном баке

Докторант в области физики Патрик Нейман (Patrick Neumann) из Университета Сиднея разработал ионный ракетный двигатель, который по экономичности превосходит лучшие образцы аналогичных силовых установок НАСА. Нынешний рекорд для ионных двигателей HiPEP (НАСА) составляет 9600 (+/- 200) секунд удельного импульса. Двигатель Патрика Неймана выдает 14 690 (+/- 2000) секунд, и к тому же он может использовать не только инертный газ ксенон, но и разные твердые вещества, например магний и углерод.

Ионные двигатели используют электричество для ионизации газов, которые выбрасываются через сопло с высокой скоростью и создают реактивную тягу. Источником электричества обычно служат солнечные панели, но могут применяться и другие — аккумуляторы или ядерный реактор.

Двигатель Неймана отличается от обычных ионных двигателей тем, что может использовать в качестве топлива твердые вещества и представляет собой что-то наподобие дуговой сварки. В сварочном аппарате, когда кончик сварочного стержня приближается достаточно близко к заготовке, возникает высокотемпературная электрическая дуга. Это происходит благодаря тому, что электрическое поле между катодом и анодом достаточно сильное, чтобы "вырвать" электроны из молекул воздуха. Дуга позволяет электрическому току протекать через катод, который нагревает материал на кончике сварочного электрода. Двигатель Неймана работает схожим образом, только не создает сварной шов, а отбрасывает атомы топлива и создает реактивную тягу.

В двигателе Неймана электрические дуги ударяют в твердое топливо  и вызывают образование потока ионов, которые с помощью магнитного поля направляются в сопло двигателя. При этом используется напряжение от 80 до 250 В. Для инициации образования плазмы можно использовать различные технологии, например мощные лазеры, но предложенный Нейманом способ — самый надежный на сегодняшний день.

Анод является соплом и представляет собой полый цилиндр. В качестве триггера (инициатора топлива) используется тонкий стержень из тугоплавкого токопроводящего металла

Циклы работы двигателя Неймана представляют собой серию коротких импульсов, которые экономично расходуют топливо и идеально подходят для долгосрочных миссий.

Команда Неймана провела серию экспериментов с различными видами топлива, включая углерод, ванадий, магний, титан и висмут. В принципе, топливом может служить любой материал, способный проводить ток. Самым эффективным топливом для двигателя Неймана является магний, но допускается и использование  углерода. В топливо для ионного двигателя можно превратить даже пищевые отходы или уголь — нужно лишь сжечь их, спрессовать в угольный стержень и добавить тугоплавкий провод-инициатор из вольфрама. Таким образом, в  будущем топливо для ракетных двигателей Неймана можно будет изготовить из местных материалов или отходов в удаленных космических колониях и на космических станциях.

Разработчик нового двигателя официально представит свое изобретение на 15-й австралийской космической научно-практической конференции (ASRC), которая пройдет с 29 сентября по 1 октября 2015 г. в Канберре, Австралия.