VASIMR - Polski Serwis Naukowy

Prototyp silnika wypełniony “gorącą” plazmą. Testy przeprowadzane są w Johnson Space Center

Silnik plazmowy o zmiennym impulsie właściwym, VASIMR (ang. VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) jest hipotetyczną odmianą napędu statku kosmicznego, który wykorzystuje energię mikrofal i pole magnetyczne do przyspieszania czynnika roboczego (wytworzenia siły ciągu).

Mikrofale to rodzaj , częstotliwość = 3·109 – 3·1012 Hz, a długości λ = 10−4 – 0,1 m . W elektronice stosowanie sygnałów o częstotliwościach mikrofalowych oznacza, że rozmiary urządzenia (w najprostszym przypadku falowodu) są zbliżone do długości fali przenoszonego sygnału i opis obwodu przy pomocy elementów o stałych skupionych nie jest wystarczająco dokładny.
Siła ciągu (ciąg) – siła będąca wynikiem działania silnika pojazdu, obiektu pływającego lub latającego. Siła ciągu jest siłą reakcji powstaje zgodnie z III zasadą dynamiki w wyniku oddziaływania układu napędowego pojazdu z innymi ciałami.

Metoda podgrzewania plazmy stosowana w napędzie VASIMR była pierwotnie rozwijana w rezultacie badań nad reakcją termojądrową.

Prace nad napędem rozpoczęto w roku 1979 w Charles Stark Draper Laboratory pod kierownictwem dr Franklina Chang-Diaz’a. Kontynuowane następnie w Plasma Fusion Center należącego do Massuchusetts Institute of Technology. Obecnie prace nad napędem trwają w założonym w grudniu 1993 Advanced Space Propulsion Laboratory (Ośrodek Kosmiczny im Johnsona).

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .
Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

Aktualne konstrukcje VASIMR powinny być zdolne do wytwarzania impulsów właściwych w zakresie 10 000-300 000 m/s (1 000-30 000 sekund) – dolna granica zakresu odpowiada niektórym silnikom jonowym.

Jeśli kiedyś uda się uzyskać stosunkowo duży ciąg, to podróże z napędem VASIMR będą wymagać sporo ciężkiego sprzętu, by oddzielić nawet względnie rozrzedzoną plazmę, dlatego VASIMR będzie nieprzydatny do zastosowań takich jak np. start z powierzchni planety.

Budowa silnika VASIMR

Główną częścią zespołu napędowego jest silnik plazmowy z regulowaną siłą ciągu (do wytwarzania plazmy wykorzystywana jest energia mikrofal), w skład którego wchodzą następujące podzespoły:

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].
Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona (Johnson Space Center, JSC) mieści się w Clear Lake City (przedmieście Houston, Teksas). Jest centrum załogowych lotów kosmicznych NASA. Zbudowany na ziemi podarowanej przez pobliski Uniwersytet Williama M. Rice’a.

wtryskiwacz paliwa i pierwsza antena mikrofalowa

komora grzewcza z drugą anteną mikrofalową

dysza magnetyczna

Wszystkie wymienione wyżej części silnika są otoczone nadprzewodzącymi elektromagnesami. Oprócz silnika w zespole napędowym znajdują się również:

zbiornik z paliwem (ciekły wodór)

system zasilania (reaktor jądrowy, ogniwa słoneczne)

układ chłodzenia (jest bardzo ważnym elementem w napędzie VASIMR, ponieważ podczas pracy silnika i układu zasilania powstają ogromne ilości ciepła, które należy odprowadzić na zewnątrz). Na układ chłodzenia składają się:

radiatory – odbierają ciepło z komory grzewczej silnika oraz centralnego elektromagnesu

izolacja termiczna - utrzymuje niskie temperatury w zbiornikach z paliwem (wodór musi być utrzymywany w stanie ciekłym, na co potrzeba bardzo niskich temperatur)

układ doprowadzania paliwa - jest jednocześnie wykorzystywany do schładzania wytwornicy plazmy, komory grzewczej, dyszy magnetycznej oraz elektromagnesów (nadprzewodniki elektromagnesów do prawidłowej pracy potrzebują obecnie bardzo niskich temperatur).

Uproszczony schemat silnika VASIMR

Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzanie dodatkowych substancji pochłaniających lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych (służących do normalnej regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa (stosowanych do awaryjnego wyłączania reaktora). Substancjami używanymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm, natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę chłodziwa.
Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)