אני בדרך כלל מתקרב מאמרים בנושא של דחפים חלופיים עם א מידה מסוימת של ציניות. אבל סוף סוף קיבלנו מחקר על דחפי מיקרוגל שאינו מסתמך על פיזיקה בלתי אפשרית. במקום זאת, הוא השתמש במדחף פלזמה ישן ופשוט.
דחפי פלזמה נחשבו בדרך כלל כאמצעי הנעה בחלל, אך כעת אחד תוכנן לפעול בתנאים אטמוספריים. לדברי החוקרים המעורבים, מדובר במדחף פלזמה אוויר בעל פוטנציאל לייצר את אותו דחף כמו מנוע סילון מסחרי.
אוויר דליק?
מנוע סילון הוא רק סוג של מנוע בעירה פנימית: שלבו דלק ואוויר ודחוס את הגיהנום החי מתוך התערובת. ההצתה שנוצרה מחממת במהירות את הגז (שרובו חנקן ואינו נשרף), ומאלצת אותו להתרחב בצורה נפיצה. ניתן להשתמש בהתרחבות המהירה כדי להפעיל מאווררים שיוצרים דחף או להשתמש ישירות כדי לספק דחף. אבל, נקודת המפתח היא שצריך לחמם את הגז במהירות לטמפרטורות גבוהות מאוד כדי שיוכל להתרחב. הדלק של מנוע סילון הוא רק מקור האנרגיה לחום.
עידן הקיטור נשען על אותו מושג, כמו גם טורבינות קיטור מודרניות. מחממים מים לגז חם מאוד, ואז אפשרו להם להתרחב כדי לבצע עבודה. שוב, המפתח הוא להכניס את כל האנרגיה הזו לתוך הגז כך שהוא יוכל להתרחב במהירות. מנוע קיטור, לעומת זאת, הוא מנוע בעירה חיצונית, כאשר הבעירה מחממת את המים לפני שהמים נשלחים למקום בו הם פועלים.
כעת, קבוצת חוקרים הדגימה סוג של מנוע בעירה פלזמה חיצוני/פנימי. הרעיון המהותי הוא שהאוויר מיונן לפלזמה, אשר מחוממת במהירות ומאפשרת לה להתרחב כדי ליצור דחף.
לשם כך, החוקרים השתמשו במגנטרון כדי ליצור גלי מיקרו בעוצמה גבוהה יחסית (כ-1kW). גלי המיקרו עוברים במורד מוליך גל (צינור מתכת מלבני) שהולך ונעשה דק יותר ואז מתרחב שוב (ראה תמונה). צינור קוורץ ממוקם בחור במוליך הגל בנקודה הצרה ביותר. אוויר נדחף דרך צינור הקוורץ, עובר דרך קטע קטן של מוליך גל, ואז יוצא מהקצה השני של צינור הקוורץ.
בכניסה לצינור, האוויר עובר על פני אלקטרודות הכפופות לשדה גבוה מאוד. זה קורע אלקטרונים מחלק מהאטומים (בעיקר החנקן והחמצן), ויוצר פלזמה בטמפרטורה נמוכה ובלחץ נמוך. לחץ האוויר מהמפוח בכניסה לצינור דוחף את הפלזמה עוד יותר במעלה הצינור כך שהיא נכנסת למוביל הגל.
במוליך הגל, החלקיקים הטעונים בפלזמה מתחילים להתנודד עם שדה המיקרוגל תוך כדי חימום מהיר. היונים, האטומים והאלקטרונים מתנגשים זה בזה לעתים קרובות, ומפיצים את האנרגיה מהיונים והאלקטרונים לאטומים הנייטרליים, ומחממים את הפלזמה במהירות. כתוצאה מכך, החוקרים טוענים שהפלזמה מתחממת במהירות להרבה מעל 1,000 מעלות צלזיוס.
דחף המדידה
הפלזמה המחוממת יוצרת להבה דמוית לפיד כאשר הגז החם יוצא ממוליך הגל, ויוצר דחף. מדידת לחץ הגז (דחף) התבררה כקשה. רוב חיישני הלחץ והברומטרים נוטים להתלונן כשהם מונחים לתוך משהו הדומה ללפיד.
אז החוקרים הפכו יצירתיים. הם סגרו את צינור הקוורץ עם כדור חלול שהיה בו חור קטן. אם דחף הפלזמה היה גבוה מספיק, זה יגרום לכדור לקשקש על גבי הצינור. על ידי הוספת מסה הדרגתית לכדור, הוא בסופו של דבר ישקע על הצינור ויפסיק לקשקש. החוקרים העריכו את הכוח הכולל מהגז על ידי איזון בינו לבין הכוח הנובע מכוח הכבידה. אני די בטוח שיש דרכים טובות יותר למדוד דחף (ועדיין להישאר בטכנולוגיה נמוכה), אבל כל עוד החוקרים היו עקביים, ההיסט השיטתי יהיה זהה עבור כל המדידות.
בסופו של דבר, הצוות הצליח להראות שהם מקבלים דחף של כ-28N/kW, מה שנראה די קרוב לזה שמיוצר על ידי טורבופאן מודרני (לפי החישובים הגסים שלי, טורבופאן מודרני מפיק כ-15N/kW). יעילות הדחף מתוקנת לדחף פשוט גם בגלל זרימת האוויר של המפוח.
השאלה היא של קנה מידה. בקצבי זרימת האוויר (בסביבות 1 מטר3/h) והספקים של מיקרוגל (פחות מ-1kW) שהחוקרים בדקו, הכל השתנה יפה מאוד. אבל זרימות האוויר נמוכות באזור פי 15,000 מאלו של מנוע בגודל מלא. הדחף גם צריך להתאים בערך ארבעה סדרי גודל (כלומר גם הכוח עושה זאת). אקסטרפולציה של מגמות ליניאריות על פני ארבעה סדרי גודל היא דרך טובה להתאכזב מהחיים.
אני גם מאמין שסימני האזהרה כבר נמצאים בעיתון. אם אתה מסתכל היטב, יש כמה נקודות נתונים חסרות. לדוגמה, בהספק המיקרוגל הגבוה ביותר, נבדקים רק קצבי זרימה נמוכים יותר, בעוד שעבור הספק מיקרוגל נמוך, כל קצבי הזרימה נבדקים. זה נראה כמו מחדל מוזר. אני חושד שהפלזמה לא יציבה בזרימות גבוהות והספקים גבוהים.
אם אתה חושב שהעבודה הזו עשויה לעזור לחסוך במשקל המנוע, לא הייתי כל כך בטוח. אם מדחף הפלזמה יהפוך לחלק ממנוע טורבו-פאן, אני חושד שהוא יהיה כבד יותר. בתצורה שאינה עוקפת, הוא עשוי להיות קל יותר. ובכל זאת, זו עבודה מאוד מגניבה, ואני מקווה שזה יצליח.
AIP Advances, 2020, DOI: 10.1063/5.0005814 (לגבי DOIs)
