Іонний двигун

 

Іонний двигун

Із рухом технологій уперед колись фантастичні речі стають буденністю. Менш відомим, колись неможливим пристроєм є іонний двигун. Ще зі шкільного курсу хімії ми знаємо, що іон — це атом із позитивним чи негативним зарядом, катіон чи аніон відповідно. Сьогодні рушійна сила цих найменших частинок дозволяє працювати двигунам міжпланетних ракет і супутників, щоправда, тільки в космосі.

Відкриття іона

Історія частинки почалася ще в 1820 р. Майкл Фарадей спостерігав поведінку молекул, що збиралися біля катоду чи аноду. Тоді він подумав, що відкрив антигравітацію. Науково осягнути явище зумів шведський учений С. Арреніус, і в 1884 р. захистив дисертацію.

Спільнота нагородила його Нобелівською премією, але лише у 1903 р. До того ж здобутки хіміка не визнавали. Після розуміння механізму утворення іонів, поведінки заряджених частинок людство задумалося над практичним застосуванням отриманих знань. Так виник іонний двигун.

 

Перші кроки у розробках іонного двигуна

Концепція пристрою була висунута ще у 1917 р. Через кілька десятиліть теорію вдосконалив Штулінгер, виконавши необхідні розрахунки. З 60-хх рр. ХХ століття між СРСР та США почалися “іонні” перегони.

Майже одночасно вчені обох країн виконували розрахунки та тестували їх у відкритому космосі. Перші прототипи працювали потрібний час, але їх потужність була занадто малою. Покращені встановлювали на кораблі як додаткові чи експериментальні.

У середині 60-тих у США створюють різні моделі. Популярним та технологічним виявився двигун Кауфмана. Нині це класичний тип, в якому частинки прискорюються в електростатичному полі. Джерелами іонів є:

  • поверхневий іонізатор;
  • газороздріджувальна камера.

О. Морозов запропонував новий пристрій стаціонарний та потужніший від аналогів. Його винахід показав непоганий результат щодо коефіцієнту продуктивності та витрат палива. Цю модифікацію вважають новим типом, а саме плазмовим.

Нерідко їх ототожнюють, але на відміну від іонного, де аніони та катіони прискорюються в електричному полі, там використано одночасно електричні та магнітні імпульси, а робоче тіло перебуває у стані плазми.

Причиною плутанини є схожа схема: і там, і там у робочому тілі є інертні гази й заряджені частинки, але іонізуються по-різному. У плазмовому типі вони перетворюються на хмару під впливом магнітного поля, а прискорюються вже у електричному.

 

Принцип роботи іонного двигуна

Основний принцип роботи іонного двигуна — третій закон Ньютона. Простіше кажучи, ракета рухається завдяки викидам потоків заряджених атомів. Для цього сконструйовано спеціальний тип реактивного двигуна, в якому паливо замінили на інертний газ та заряджені частинки:

  1. Вони іонізують інертний газ (ксенон чи аргон).
  2. Заряджений газ рухається до спеціальних решіток, де затримуються аніони, а катіони прямують далі.
  3. Наближаються до решіток, де створена атмосфера з великою різницею потенціалів. За ними викидуються аніони, щоби отримати максимум потужності з позитивних частинок.

Описаний процес – це єфект Біфельда брауна, тобто іонний вітер.

Це доволі спрощена модель того, як працює іонний двигун. Очевидні його переваги: екологічність, швидкість, тривалість роботи. Найбільше за часом працювала модель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) – цілих 5,5 років. При цьому використано усього лише 870 кг ксенону (проти 10 тонн звичайного хімічного палива).  

Найшвидший в історії корабель на іонному двигуні – Dwn від тої ж Nasa. Його завдання дослідити віддалену планету Цереру. Dwn розігнався до 11,46 км/с. Загалом сучасні іонні двигуни використовують для виведення у космос низькоорбітальних кораблів.

 

Недоліки та перспективи іонного двигуна

Хоча тип популярний у літературній та кінофантастиці, де його зображують пристроєм майбутнього для переміщення у космосі, реальні перспективи не настільки грандіозні. Наприклад, у “Зіркових війнах” усі кораблі працюють на двигунах такого типу. Реальні випробування свідчать, що потужність іонів корисна та економічна лише в умовах відсутності гравітації.

Тоді її вистачає, щоб довго рухати корабель. А для того, щоб ракета відірвалася від Землі, потрібна надзвичайна кількість матеріалу. Максимальне тягло сучасних прототипів усього 5,4Н. Тоді як сучасні проекти потребують цифри у 1570Н. Зокрема, пропозиція Джефрі Лендіса створити міжзірковий зонд тільки з космічним вітрилом.

Експерименти на Землі й у космосі досі тривають. Поки що найпотужніша модель Х-3 створена у США в 2003 р. Він розвиває рекордну тягу у 5,4Н, наразі тестується в лабораторних умовах. Його діаметр 1 м, а вага сягає 227 кг.

Має аж три канали для виходу палива. За 20 років вчені планують довести проект до завершення й випробувати Х-3 у космосі. За умов успішного завершення стане реальним колись недосяжне: людина дістанеться Марса лише за 38 днів завдяки швидкості у 40 км/с (проти сучасних ракет 5 км/с) (розрахунки проводили за найкоротшою дистанцією до червоної планети 56 млн км).

 

Наукові саморобки

У 2015 р. ЗМІ опублікували інформацію про португальця, який власними руками із підручних матеріалів створив міні-версію іонного двигуна. Частину деталей він роздрукував на 3D-принтері. Джерело напруги високовольтний трансформатор, замість катодів та анодів використано мідні гвіздки і трубки.

Хоча модель зроблена із нетехнологічних матеріалів, вона непогано працює: рухає нарізаний смужками папір, як несильний вітер. Вигадати практичне застосування саморобки в побуті ще досить складно, але перспективи втішні.

 

Іонний двигун у авіа

У листопаді 2018 року вчені із Массачусетського технологічного інституту продемонстрували нову модель аероплана, який рухається за принципом іонного вітру (так ще називають у англомовних джерелах роботу двигуна). Модель не робить викидів у атмосферу, працює без гамору. Прототипи літали тільки в лабораторії, на висоті 2 м, розмах крил близько 5 м.

Конструктори зуміли створити аероплан без жодної рухливої частини. Під крилами встановлені електроди та провід, що подає напругу у 20 тис. Вольт. Джерелом частинок слугує Нітроген у повітрі. Під час переміщення від одного заряду до іншого заряджених атомів виникає вітер, що й рухає літак.

Перший політ тривав 10 сек., план подолав близько 60 м. Технологія ще зазнає змін, адже на якість й тривалість руху впливає багато факторів: від складу повітря до оптимальної потужності.

 У використанні такого типу двигуна в авіа є недоліки:

  • занадто слабка тяга;
  • дороге обладнання;
  • недостатньо практичних випробувань, тому сумнівна безпека.

Самі винахідники зазначають, що ще довгий час іонна система не буде пристосована для пасажирських літаків. Ефективно працюватиме для міні-планів та дронів, що стають популярніші з кожним роком. Окрім цього, іонний вітер у перспективі бюджетніший ніж звичайне пальне.

Можливо, вченим знадобиться декілька десятків років, щоб цей двигун став буденністю чи гідно працював за межами планети. Сьогодні перспективи досліджень позитивні, але все більше й більше проектів закривають через нестачу коштів чи спеціального обладнання або умов для тестування.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Підписуйтесь на наш канал у Telegram