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从太阳得到灵感,女物理学家发明新型火箭,一个月就能到火星

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宇宙中有数之不尽的星球,我们人类能去的星球却少得可怜,在这些星球中,火星算得上人类最好的目标了。然而以我们现有的推进技术,火星其实还是很遥远的,在算好了发射窗口的情况下,我们也需要花半年左右的时间才能到火星,这无疑给人类的火星之旅增加了不小的难度,因此科学家们一直在致力于新型火箭的研究工作。


现在我们有了一个好消息,一位来自普林斯顿等离子体物理实验室的名为法蒂玛·埃布拉希米(Fatima Ebrahimi)的女物理学家发明新型火箭,据悉这种新型火箭比现有推进器快十倍,以这种实力,只需要一个月就能到火星,而根据这位女物理学家的介绍,她的这项研究是从太阳得到灵感。具体是怎么回事呢?下面我们就来了解一下。

人类现有的推进器为什么这么慢?

通常情况下,我们可以用“比冲量”来衡量一个推进系统的效率,所谓“比冲量”就是指单位推进剂所产生的冲量,其单位为秒,举个例子,比如说对于一个推进器的“比冲量”为100秒,我们就可以简单地将其理解为,该推进器每1公斤燃料可以持续产生100秒大小为1公斤的推力。


实际上,我们人类在航天领域使用得最多的化学火箭,其“比冲量”其实是很低的,例如著名的土星5号,其1级火箭的“比冲量”为263秒,而它的2、3级火箭也的“比冲量”也只有421秒。

化学火箭如此低的“比冲量”,使得我们要将一个物体发射到外太空,往往需要数十倍该物体质量的燃料,而即使进入了外太空,化学火箭也无法提供持续且强大的推力,当然也就飞不快了。

为了提高推进器的“比冲量”,科学家开发出了离子推进器,其基本原理就是先将工质电离成带电粒子,然后利用强电场产生的洛伦兹力将这些带电粒子高速喷出,从而使航天器获得推力。


由于在这个过程并没有什么能量损失,因此离子推进器的“比冲量”就要比化学火箭高得多,例如NASA的“NEXT”离子推进器,其“比冲量”就高达4300秒,比土星5号高出了十倍有余。

但现有的离子推进器却有一个缺点,那就是推力太小,简单来讲,这是因为现有的离子推进器喷出的带电粒子束质量太小了,对此有人将其推力形容为“只能吹动一张纸”。在这种情况下,现有的离子推进器就需要花很长的时间才能将航天器加速到想要的速度,而在此之前,它其实也飞得很慢。

那么应该如何提高离子推进器的性能呢?其实有办法,根据动量守恒定律,在质量不变的情况下,我们只需要想办法提高带电粒子的喷出速度,就可以获得更大的推力。

从太阳得到灵感

太阳的表面并不是一直都是“风平浪静”的,在有些时候,太阳表面会发生一种剧烈的爆发现象,并在短时间内释放出大量的能量,这种现象被称为“太阳耀斑”,观测数据显示,当“太阳耀斑”产生时,会伴随着强烈的带电粒子辐射,而这些带电粒子的速度往往可以达到每秒钟上千公里。


为什么这些带电粒子的速度会如此之快呢?想象一下,假如我们从绳子的两头向相反的方面一直拧,在这个过程中,只要我们的力量足够,那么绳子的形变就会越来越厉害,当达到极限的时候,绳子就会发生断裂,从而释放出能量。

太阳的磁场的磁力线也会发生类似的纽缠,这被称为“磁纽缠”,同样的,当太阳磁结构的纽缠达到极限时,也会发生断裂并释放出大量的能量,在此之后,磁力线又会重新连接,这被称为“磁重联”。由此我们可以看到,“太阳耀斑”产生的高速带电粒子,其能量是来自于“磁纽缠”能量的集中释放。


法蒂玛从太阳得到灵感,然后开始思考如何模仿这种机制,她通过仔细观察后发现,在“托卡马克”运行时,其中就存在着上述现象(注:“托卡马克”是一种有望利用磁约束来实现可控核聚变的环形装置)。

在接下来的时间里,这位女物理学家对“托卡马克”中相关装置进行了改进,着重优化了静电场和磁场配置,从而提高了“磁纽缠”能量释放的强度,并在此基础上发明了前面所讲的新型火箭。


(图为该火箭的工作原理图)

这种新型火箭有多强?

模拟运行的结果表明,这种新型火箭所喷出的带电粒子束,其速度可以达到每秒钟500公里,相对而言,NASA的“NEXT”离子推进器喷出的粒子速度只有每秒钟40公里,这就意味着,这种新型火箭可以比现有推进器快十倍,甚至更多。

由于以现有的离子推进器的实力,飞到火星大约需要9至12个月的时间,因此可以说,这种新型火箭一个月就能到火星。值得一提的是,这种新型火箭允许推进器内部的带电粒子由重原子或轻原子组成,这使得人们能够更加灵活地调整推力的大小,从而让航天器完成不同的任务。


需要注意的是,这项技术并不是想象中的那么遥不可及,因为它所需要的基础技术都是现成的,理论上来讲,只需要假以时间对相关部件进行完善就可以实现。可以想象的是,如果在不久的将来,这项技术真的投入了实际应用,那么对于人类而言,火星将不再是那么遥远,让我们一起期待吧。

参考资料:

《Journal of Plasma Physics》:Volume 86 Issue 6,An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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