С движением технологий вперед когда-то фантастические вещи становятся обыденностью. Менее известным, когда-то невозможным устройством является ионный двигатель. Еще из школьного курса химии мы знаем, что ион — это атом с положительным или отрицательным зарядом, катион или анион соответственно. Сегодня движущая сила этих маленьких частиц позволяет работать двигателям межпланетных ракет и спутников, правда, только в космосе.
Открытие иона
История частицы началась еще в 1820 г. Майкл Фарадей наблюдал поведение молекул, что собирались у катода или анода. Тогда он подумал, что открыл антигравітацію. Научно постичь явление сумел шведский ученый С. Аррениус, и в 1884 г. защитил диссертацию.
Сообщество наградила его Нобелевской премией, но только в 1903 г. К тому же достижения химика не признавали. После понимания механизма образования ионов, поведения заряженных частиц человечество задумалось над практическим применением полученных знаний. Так возник ионный двигатель.
Первые шаги в разработках ионного двигателя
Концепция устройства была выдвинута еще в 1917 г. Через несколько десятилетий теорию усовершенствовал Штулінгер, выполнив необходимые расчеты. С 60-хх гг. ХХ века между СССР и США начались “ионные” гонки.
Почти одновременно ученые обеих стран выполняли расчеты и тестировали их в открытом космосе. Первые прототипы работали нужное время, но их мощность была слишком мала. Улучшенные устанавливали на корабле как дополнительные или экспериментальные.
В середине 60-х в США создают разные модели. Популярным и технологичным оказался двигатель Кауфмана. Сейчас это классический тип, в котором частицы ускоряются в электростатическом поле. Источниками ионов являются:
- поверхностный ионизатор;
- газороздріджувальна камера.
В. Морозов предложил новое устройство — стационарный и мощнее аналогов. Его изобретение показал неплохой результат по коэффициенту производительности и расхода топлива. Эту модификацию считают новым типом, а именно плазменным.
Нередко их отождествляют, но в отличие от ионного, где анионы и катионы ускоряются в электрическом поле, там использовано одновременно электрические и магнитные импульсы, а рабочее тело находится в состоянии плазмы.
Причиной путаницы является похожая схема: и там, и там в рабочем теле есть инертные газы и заряженные частицы, но ионизируются по-разному. В плазменном типе они превращаются в облако под воздействием магнитного поля, а ускоряются уже в электрическом.
Принцип работы ионного двигателя
Основной принцип работы ионного двигателя — третий закон Ньютона. Проще говоря, ракета движется благодаря выбросам потоков заряженных атомов. Для этого сконструирован специальный тип реактивного двигателя, в котором топливо заменили на инертный газ и заряженные частицы:
- Они ионизируют инертный газ (ксенон или аргон).
- Заряженный газ движется в специальных решеток, где анионы задерживаются, а катионы направляются дальше.
- Приближаются к решеток, где создана атмосфера с большой разницей потенциалов. За ними викидуються анионы, чтобы получить максимум мощности из положительных частиц.
Описан процесс – это ефект Біфельда брауна, то есть ионный ветер.
Это довольно упрощенная модель того, как работает ионный двигатель. Очевидны его преимущества: экологичность, скорость, продолжительность работы. Больше всего по времени работала модель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) – целых 5,5 лет. При этом использовано всего лишь 870 кг ксенона (против 10 тонн обычного химического топлива).
Самый быстрый в истории корабль на ионном двигателе – Dwn от той же Nasa. Его задача — исследовать отдаленную планету Цереру. Dwn разогнался до 11,46 км/с. В целом современные ионные двигатели используют для вывода в космос низкоорбитальных кораблей.
Недостатки и перспективы ионного двигателя
Хотя тип популярен в литературной и кінофантастиці, где его изображают устройством будущего для перемещения в космосе, реальные перспективы не столь грандиозные. Например, в “Звездных войнах” все корабли работают на двигателях такого типа. Реальные испытания свидетельствуют, что мощность ионов полезная и экономичная лишь в условиях отсутствия гравитации.
Тогда ее хватает, чтобы долго двигать корабль. А для того, чтобы ракета оторвалась от Земли, нужна чрезвычайная количество материала. Максимальное тянуло современных прототипов всего 5,4 Н. Тогда как современные проекты требуют цифры в 1570Н. В частности, предложение Джефри Лэндиса создать межзвездный зонд только с космическим парусом.
Эксперименты на Земле и в космосе до сих пор продолжаются. Пока что самая мощная модель Х-3 создана в США в 2003 г. Он развивает рекордную тягу в 5,4 Н, сейчас тестируется в лабораторных условиях. Его диаметр 1 м, а вес достигает 227 кг.
Имеет три канала для выхода топлива. За 20 лет ученые планируют довести проект до завершения и испытать Х-3 в космосе. При условии успешного завершения станет реальным когда-то недостижимое: человек доберется до Марса только за 38 дней благодаря скорости в 40 км/с (против современных ракет 5 км/с) (расчеты проводили по кратчайшей дистанцией до красной планеты — 56 млн км).
Научные самоделки
В 2015 г. СМИ опубликовали информацию о португальца, который собственными руками из подручных материалов создал мини-версию ионного двигателя. Часть деталей он распечатал на 3D-принтере. Источник напряжения высоковольтный трансформатор, вместо катодов и анодов использованы медные гвозди и трубки.
Хотя модель сделана из нетехнологичных материалов, она неплохо работает: движет нарезанный полосками бумагу, как несильный ветер. Придумать практическое применение самоделки в быту еще достаточно сложно, но перспективы радужные.
Ионный двигатель в авиа
В ноябре 2018 года ученые из Массачусетского технологического института продемонстрировали новую модель аэроплана, который движется по принципу ионного ветра (так еще называют в англоязычных источниках работу двигателя). Модель не делает выбросов в атмосферу, работает без шума. Прототипы летали только в лаборатории, на высоте 2 м, размах крыльев около 5 м.
Конструкторы сумели создать аэроплан без единой подвижной части. Под крыльями установлены электроды и провод, что подает напряжение в 20 тыс. Вольт. Источником частиц служит Азот в воздухе. Во время перемещения от одного заряда к другому заряженных атомов возникает ветер, что и движет самолет.
Первый полет длился 10 сек., план преодолел около 60 м. Технология еще претерпит изменения, ведь на качество и продолжительность движения влияет много факторов: от состава воздуха до оптимальной мощности.
В использовании такого типа двигателя в авиа есть недостатки:
- слишком слабая тяга;
- дорогое оборудование;
- недостаточно практических испытаний, поэтому сомнительная безопасность.
Сами изобретатели отмечают, что еще долгое время ионная система не будет приспособлена для пассажирских самолетов. Эффективно работать для мини-планов и дронов, что становятся популярнее с каждым годом. Кроме этого, ионный ветер в перспективе бюджетніший чем обычное топливо.
Возможно, ученым понадобится несколько десятков лет, этот двигатель стал обыденностью достойно работал за пределами планеты. Сегодня перспективы исследований положительные, но все больше и больше проектов закрывают из-за недостатка средств или специального оборудования или условий для тестирования.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
