لقد أنهيت للتو الموسم الأخير من الامتداد - سلسلة الخيال العلمي المفضلة لدي حاليًا. على عكس معظم أفلام الخيال العلمي الأخرى ، فإن رواية The Expanse (حتى الآن) محتواة بشكل أساسي في نظامنا الشمسي. في Star Trek ، تطير السفن حول المجرة بسرعات Faster-Than-Light مع الإشارة إلى السنوات الضوئية العديدة (أو فرسخ * سعال * حرب النجوم) سافروا ليقولوا شيئًا عن رحلات الضوء الفرعي داخل الأنظمة الشمسية نفسها. المسافات بين النجوم ضخمة. ولكن بالنسبة لتقنية التأريض الحالية ، لا يزال نظامنا الشمسي بحد ذاته هائلاً للغاية. يستغرق الأمر سنوات للوصول إلى أي مكان.
في The Expanse ، تستخدم السفن دفعًا خياليًا من الباطن يسمى محرك إبشتاين للسفر بسرعة عبر النظام الشمسي بأجزاء كبيرة من سرعة الضوء. لم نصل إلى هناك بعد ، لكننا نقترب أكثر من الإعلان عن دفع ثانوي نظري جديد . لن تكون قيادة من إبشتاين ، لكنها قد تُعرف باسم محرك إبراهيمي - محرك مستوحى من مفاعلات الاندماج والقوة المذهلة للانبعاثات الشمسية الإكليلية الجماعية.
فاطمة إبراهيمي في مكتبها ج ، إيلي ستاركمان
انعكاس وحرق
كانت المحركات الصاروخية العمود الفقري لاستكشاف الفضاء حيث نقل البشر إلى القمر ، والمركبات الجوالة إلى المريخ ، وإرسال المجسات خارج النظام الشمسي. ومع ذلك ، على الرغم من كل ذكاءهم المتفجر ، إلا أنهم بطبيعتهم غير فعالين وضخمون. يمكنك فقط الحصول على الكثير من الطاقة من وقود الصواريخ. نتيجة لذلك ، فإن معظم مركبتك الفضائية بأكملها عبارة عن خزان وقود عملاق. يمكن أن تصل كتلة الصاروخ المخصص إلى المريخ إلى 78٪ من الوقود. لتقليل الوزن ، نحتاج إلى محركات أكثر كفاءة.
يُطلق على قياس كفاءة المحرك 'النبضة النوعية' ، ويُعبر عنها بعدد الثواني التي يمكن لكتلة معينة من الوقود أن تسرع من نفسها في الجاذبية الأرضية. على سبيل المثال ، إذا كان لدي رطل من الوقود ، فكم عدد الثواني التي يمكن أن يقوم رطل الوقود هذا بتسريع نفسه قبل أن ينفد؟ كلما زاد عدد الثواني التي يحرقها الوقود ، زادت كفاءة محرك سيارتك. يمكن أيضًا التعبير عن الدافع المحدد على أنه سرعة دفع عادم المحرك (المواد التي تطير من الجزء الخلفي منه) بالنسبة للصاروخ نفسه. أحد أكثر المحركات الصاروخية كفاءة على الإطلاق هو RS-25 - المحرك الرئيسي على مكوك الفضاء - والذي يتميز بدفعة محددة تبلغ 453 ثانية وسرعات عادم تبلغ 4.4 كم / ثانية - والتي تبدو سريعة جدًا!
ثلاثة محركات رئيسية RS-25 على متن مكوك الفضاء أتلانتس - ج. ناسا
أعلى أسرع
إذا أردنا دفع حدود استكشاف الإنسان للفضاء ، فنحن بحاجة إلى أداء أكثر محركات الصواريخ كفاءة. جاء الجيل التالي من الدفع الفضائي في شكل محركات أيونية. تستخدم المحركات الأيونية المجالات الكهرومغناطيسية لتسريع الجسيمات المشحونة - الأيونات - والتي يتم استنفادها بعد ذلك من سفينة الفضاء مما يسرعك في الاتجاه المطلوب. كما قال نيوتن ، رد فعل متساوٍ ومضاد. إذا قمت بتصوير الأشياء بطريقة ما ، فستذهب في الاتجاه الآخر. هذا لا يلزم أن يكون وقودًا للصواريخ ، يمكن أن يكون مجرد غازات مؤينة.
ال تأثير القاعة Thruster هو تصميم محرك أيوني تم نشره بنجاح على المركبات الفضائية بما في ذلك SpaceX الحالية أقمار ستارلينك . على عكس الصواريخ ، يمكن أن تحقق Hall Thrusters سرعات عادم تتراوح من 10 إلى 80 كم / ثانية ونبضات محددة تتراوح من 1000 إلى 8000 ثانية. ومع ذلك ، على الرغم من قفزة هائلة في الكفاءة ، تعمل هذه المحركات على نطاقات صغيرة تنتج القليل من الدفع الكلي لقوة قليلة من نيوتن (نيوتن هي القوة اللازمة لتسريع 1 كجم بمعدل متر واحد في الثانية كل ثانية). لذلك ، تعتبر الدافعات الأيونية مثالية للمركبات الفضائية الروبوتية الصغيرة والأقمار الصناعية ، ولكن هناك حاجة إلى تصميم آخر للحمولات الكبيرة.
Hall Thruster قيد التشغيل في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا - ح. ناسا / مختبر الدفع النفاث
فيديو من Universe Today حول وظيفة وتشغيل Ion Thrusters - Fraser Cain
طرد جماعي
هذا هو المكان الذي يلعب فيه المحرك الجديد - ليس دافعًا أيونيًا بل محرك بلازما - Fatima Ebrahimi’s التصميم. تشترك دافع البلازما في خصائص مماثلة للدافع الأيوني من حيث أنه يستخدم أيضًا الحقول الكهربائية والجسيمات المشحونة. تُعرف غازات الجسيمات المشحونة كهربائيًا أيضًا بالبلازما - وهي حالة رابعة للمادة. تشكل البلازما الساخنة 99٪ من الكون المرئي الذي يتماوج بعيدًا في النجوم مثل الشمس التي هي في حد ذاتها كرة بلازما عملاقة. في الانفجارات الدراماتيكية التي تسمى الانبعاث الكتلي الإكليلي (CME’s) ، ستطلق الشمس أحيانًا بلايين الأطنان من تلك البلازما إلى الفضاء.
طرد كتلة تاجية عملاقة من الشمس - ج. ناسا
تسمى الآلية الفيزيائية التي تحفز الكتل الإكليلية المقذوفة إعادة الاتصال المغناطيسي. على سطح الشمس ، غالبًا ما يتم توجيه البلازما على طول المجالات المغناطيسية مما يخلق حلقات أو 'بروزات' هائلة عدة مرات أكبر من الأرض. تلتف خطوط المجال وتتوتر تحت الطاقة المغناطيسية حتى تنفجر ، مثل الشريط المطاطي ، وتعيد الاتصال بخطوط المجال الأخرى. تعمل إعادة الاتصال على تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة حركية وحرارة وتسريع كميات هائلة من البلازما إلى الفضاء عند مئات أو حتى آلاف من الكيلومترات في الثانية.
بروزات البلازما على الشمس مدفوعة بخطوط المجال المغناطيسي الحلقي - ج. ناسا
يخلق دافع البلازما لإبراهيمي عمليات إعادة توصيل مغناطيسية مماثلة نراها في هالة الشمس. بدلاً من التدفق المستمر للجسيمات المتسارعة مثل المحرك الأيوني ، فكر في هذا التصميم مثل CMEs المصغرة التي تنطلق كل بضعة أجزاء من الثانية مكونة فقاعات فردية من البلازما تسمى 'البلازمويدات'. يتم استنفاد هذه البلازمويدات لخلق قوة الدفع. أ محاكاة محرك إبراهيمي وصلت إلى نبضة محددة تبلغ 50000 ثانية مع سرعات عادم تصل إلى 500 كم / ثانية! كفاءة أعلى بكثير من تصاميم المحركات الأيونية الحالية. القوة المتولدة هي أيضًا أعلى بكثير من الدافعات الأيونية - حتى 100 نيوتن.
ميزة أخرى ضخمة لمحرك البلازما - يمكن أن يعمل على أي غاز تقريبًا. محركات أيون مثل إطلاق Hall Thruster مع كمية محدودة من الغاز مثل Xenon الذي يتأين لخلق قوة دفع. تعد عملية إعادة الاتصال المغناطيسي للدفعة البلازمية أكثر أهمية للتوجه الكلي من نوع أو كتلة الغاز المستخدم لتوليد البلازميدات. لذلك ، يمكن لمركبتك الفضائية أن تتزود بالوقود في الفضاء حرفيًا باستخدام الغازات الموجودة في الصخور والكويكبات ثم تواصل رحلتها.
'هناك حاجة إلى دفع كهرومغناطيسي عالي الدفع لعشرات الآلاف من الثواني لاستكشاف النظام الشمسي وراء القمر والمريخ'
-Fatima Ebrahimi
نجوم في زجاجات
استوحى مفهوم محرك الإبراهيمي لمحرك البلازما من عملها كباحثة فيزيائية رئيسية في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL). مع ملاحظة البلازمويدات داخل PPPL تجربة الحلقة الكروية الوطنية (NSTX) مفاعل الاندماج. حاليًا ، جميع المفاعلات النووية المولدة للطاقة على الأرض هي مفاعلات انشطار تقسم ذرات العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم لتحرير الطاقة. مفاعلات الاندماج هي عكس ذلك - حيث تقوم بدمج العناصر الأخف وزناً معًا لتكرار النوى النووية للنجوم. هناك مزايا محددة لقوة الاندماج على الانشطار. تخلق مفاعلات الانشطار نفايات نووية مشعة على شكل قضبان وقود مستنفدة يجب تخزينها بأمان لآلاف السنين ويجب تعدين وقود اليورانيوم نفسه.
غرفة NSTX 'Torus' وسقف 'المظلة' حيث يتم احتواء البلازما مغناطيسيًا أثناء التفاعل
- ج. إيلي ستاركمان / اتصالات PPPL
يمكن أن تعمل مفاعلات الاندماج بشكل أساسي على الهيدروجين المحرّر من الماء - وهو مصدر وقود لا ينضب تقريبًا - ولا ينتج عنها نفايات يجب دفنها. يتمثل التحدي الذي يواجه تصميمات مفاعل الاندماج في احتوائها على بلازما فائقة التسخين. يمكن أن تصل البلازما داخل مفاعل الاندماج إلى مائة مليون درجة ، وتكون الطاقة مطلوبة لتسخين البلازما وتوليد مجالات مغناطيسية قوية لاحتواء التفاعل. كانت ردود الفعل الإيجابية للطاقة الصافية نادرة. مفاعلات مثل NSTX تخلق بلازميدات عالية السرعة ، من خلال إعادة الاتصال المغناطيسي ، والتي لاحظ إبراهيمي أنها تتحرك داخل المفاعل بسرعات تزيد عن 20 كم / ثانية. فكرت في كيفية نشر البلازمويدات في تصميم محرك فضائي مما أدى إلى بحثها.
طورت NSTX مكونات وبيانات علمية لـ ITER (المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي) ، أكبر مفاعل اندماجي في العالم وهو قيد الإنشاء حاليًا في فرنسا. يعد مشروع ITER ، الذي يمثل تعاونًا يضم 35 دولة ، أحد أكثر المشاريع الهندسية تعقيدًا على الإطلاق. تتمثل مهمة المفاعل في توليد تفاعل مستدام بقدرة 500 ميجاوات (ما يكفي لتشغيل مدينة) من طاقة إدخال تبلغ 50 ميجاوات بحلول عام 2035.
فيما يتعلق بالدفع الفضائي ، تقول إبراهيمي إن الخطوة التالية ستكون بناء نموذج أولي لمحرك بلازما يأخذ تصميمها من المحاكاة إلى الواقع. قد تعمل فيزياء النجوم على تعزيز عالمنا المستقبلي ، وتنقلنا إلى عوالم أخرى ، وربما توصلنا إلى النجوم نفسها.
تغرب الشمس فوق مجمع ITER Reactor - نجوم ملهمة للنجوم. - ج. الثراء EJF
تابع ماثيو على Twitter لمزيد من قصص الفضاء
ملاحظة المؤلف: لقد لوحظ لنا أن الصورة المميزة الأصلية لهذه القطعة تم استخدامها في مجموعة صحفية عامة بدون إذن وتنتمي إلى الفنان ستيف بورغ
الصورة المميزة الجديدة: صاروخ الدفع التجريبي ج. ناسا المجال العام
المزيد للاستكشاف:
إبراهيمي ، ف. (2020). جهاز دفع البلازمويد الفيني يعيد الاتصال. مجلة فيزياء البلازما، 86 (6)، 905860614. doi: 10.1017 / S0022377820001476 (مقالة بحثية أصلية. وصول مفتوح)
طريقة جديدة لجعل دفع البلازما أخف وزناً وأكثر كفاءة - الكون اليوم
إيتر: يبدأ تجميع أكبر مشروع اندماج نووي في العالم - بي بي سي نيوز
وزارة الطاقة تشرح… توكامكس | قسم الطاقة
علم إعادة الاتصال المغناطيسي | ناسا القذف الكتلي التاجي | NOAA / NWS مركز التنبؤ بطقس الفضاء