Ein neues Design eines Plasmastrahltriebwerks wurde letztes Jahr von einer Gruppe von Forschern in China vorgestellt. Obwohl es an sich keine neue Technologie ist, könnte dieses neue Design das Geheimnis sein, um den Einsatz dieser Triebwerke in der Atmosphäre zu ermöglichen —nicht nur auf den Platz beschränkt.
Während die Schubleistung im Vergleich zu herkömmlichen atmosphärischen Triebwerken immer noch ziemlich mickrig ist, könnte sich dieser neue Triebwerkstyp nach seiner Skalierung als revolutionär für die Luft- und Raumfahrtindustrie erweisen.
Aber bevor wir uns dieses neue Design ansehen, lassen Sie uns die Funktionsweise von Plasmajet-Triebwerken erläutern.
Was ist ein Plasmaantrieb?
Plasma-basierte Triebwerke werden normalerweise als eine mögliche Form von angesehen. Raumfahrzeugantrieb. Solche Triebwerke unterscheiden sich von Ionenstrahltriebwerken, die Schub erzeugen, indem sie einen Ionenstrom aus ihrer Plasmaquelle extrahieren. Diese Ionen werden dann mit Gittern oder Anoden auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.
Plasmamotoren benötigen normalerweise keine Hochspannungsgitter oder Anoden/Kathoden, um geladene Teilchen in der Plasmaquelle zu beschleunigen, sondern nutzen die intern erzeugten Ströme und Potenziale in Form eines Hochstrom-Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden,die Ionen zu beschleunigen. Dies führt tendenziell zu einer geringeren Abgasgeschwindigkeit, da eine begrenzte Spannung zur Beschleunigung verwendet wird.
Bei geringer bis gar keiner Luftreibung im Weltraum muss der Schub dieser Triebwerke jedoch nicht so hoch sein. Wenn eine konstante Beschleunigung über Monate oder Jahre am Stück abgepumpt werden kann, könnte es möglich sein, irgendwann zu erreicheneine sehr hohe Geschwindigkeit.
Solche Motoren haben verschiedene Vorteile gegenüber anderen Formen des elektrischen Antriebs. Zum Beispiel verringert das Fehlen von Hochspannungsgittern von Anoden das Risiko einer Gitterionenerosion.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Plasmaausstoß sog. "quasi-neutral" ist. Das bedeutet, dass die positiven Ionen und Elektronen in gleicher Anzahl vorhanden sind, was eine einfache Ionen-Elektronen-Rekombination bedeutetim Auspufftopf verwendet werden, um die Abgasfahne zu löschen, wodurch die Notwendigkeit einer Elektronenkanone entfällt.
Typische Beispiele für diese Triebwerke neigen dazu, das Quellplasma unter Verwendung einer Vielzahl von Methoden zu erzeugen, einschließlich Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie unter Verwendung einer externen Antenne. Aufgrund der Art der Konstruktion dieser Triebwerke kann eine Reihe von Treibmitteln in ihnen verwendet werden, einschließlich Argon, Kohlendioxid oder sogar menschlicher Urin.
Wie zu erwarten, hat diese Technologie auch einige inhärente Nachteile. Der wichtigste davon ist der hohe Energiebedarf, der für den Betrieb erforderlich ist..
Zum Beispiel die Variabler spezifischer Impuls Magnetoplasma Rocke VASIMR VX-200-Motor erfordert 200 kW elektrische Leistung, um 1,12 Pfund 5 N Schub oder 40 kW/N zu erzeugen. Theoretisch könnte ein solcher Energiebedarf mit Spaltreaktoren auf Raumfahrzeugen gedeckt werden, aber das zusätzliche Gewicht könnte sich für den Start des Raumschiffs als unerschwinglich erweisenan erster Stelle.
Eine weitere Herausforderung ist die Plasmaerosion. Während des Betriebs kann das Plasma die Wände des Triebwerkshohlraums und der Stützstruktur thermisch abtragen, was schließlich zu einem Systemausfall führen kann.
Bislang sind solche Triebwerke nur dann wirklich nützlich, wenn sich das Raumfahrzeug im Weltraum befindet. Dies liegt an dem relativ geringen Schub, der es ihnen unmöglich macht, das Raumfahrzeug realistisch in die Umlaufbahn zu bringen. Im Durchschnitt liefern diese Raketen etwa 2 Pfund4,45 N Schub. Plasma-Triebwerke sind im Weltraum hocheffizient, tun aber nichts, um die Umlaufkosten chemischer Raketen auszugleichen.
Die meisten Weltraumbehörden haben irgendeine Form von Plasmaantriebssystemen entwickelt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Europäische Weltraumorganisation, die iranische Weltraumorganisation und natürlich die NASA.
Verschiedene Beispiele aus der Praxis wurden entwickelt und bei einigen Weltraummissionen verwendet. Zum Beispiel hat sich die NASA 2011 mit Busek zusammengetan, um das erste Hall-Effekt-Triebwerk an Bord des Tacsat-2-Satelliten zu starten. Sie werden auch auf der eingesetzt.NASA Raumsonde Dawn.
Ein anderes Beispiel ist das oben erwähntevariable spezifische Impuls-Magnetoplasma-Raketederzeit in Entwicklung von der Ad Astra Rocket Company.
VASIMR funktioniert mit eine elektrische Stromquelle bis ionisierenaTreibmittel in ein Plasma. Elektrische Felder erhitzen und beschleunigen das Plasma, während die Magnetfelder das Plasma in die richtige Richtung lenken, wenn es aus dem Triebwerk ausgestoßen wird, wodurch Schub für das Raumfahrzeug erzeugt wird.Theoretisch könnte ein 200-Megawatt-VASIMR-Motor die Reisezeit von der Erde zum Jupiter oder Saturn von sechs Jahren auf 14 Monate und von der Erde zum Mars von 6 Monaten auf 39 Tage verkürzen.
Nicht zu schäbig.
Was ist das Besondere an dieser neuen chinesischen Plasma-Engine?
Ein Team chinesischer Ingenieure enthüllte letztes Jahr einen funktionierenden Prototyp eines Mikrowellen-Triebwerks. Das Triebwerk, so die Forscher, sollte in der Erdatmosphäre mit vergleichbarer Effizienz und Schubkraft wie konventionelle Düsentriebwerke arbeiten können.
Normalerweise haben sich Plasmatriebwerke bei der Verwendung von Edelgasen wie Xenon in der Erdatmosphäre nicht als praktisch erwiesen, da erzeugte Ionen aufgrund der Reibung mit der Luft dazu neigen, ihre Schubkraft zu verlieren.was im Weltraum in Ordnung ist, aber auf der Erde erbärmlich klein wäre.
Das neue Design, erstellt von Forschern des Institut für Technische Wissenschaften der Universität Wuhan, verwendet Luft und Elektrizität anstelle von Gasen wie Xenon. Tests haben gezeigt, dass das Triebwerk eine beeindruckende Schubkraft erzeugen kann, die eines Tages in modernen Flugzeugen Anwendung finden könnte.
Dieser neue Plasmamotor funktioniert ein wenig ähnlich einem Verbrennungsmotor, bei dem Plasma aus einem Quellgas erzeugt wird, das dann wiederum schnell erhitzt wird und sich ausdehnen kann, um Schub zu erzeugen. neuer Motor, die ionisierte Luft wird verwendet, um ein Niedertemperaturplasma zu erzeugen, das dann mit einem Luftkompressor in eine Röhre geleitet wird. Während die Luft die Röhre hinauffließt, wird sie mit Mikrowellen beschossen, die die Ionen heftig schütteln und sie verursachenandere nichtionisierte Atome zu treffen.
Dieser Prozess erhöhte die Temperatur und den Druck des Plasmas drastisch, wodurch ein erheblicher Schub weiter unten in der Röhre erzeugt wurde.
Diese erstaunliche Leistung wird zum Teil durch die Verwendung eines abgeflachten Wellenleiters ein rechteckiges Metallrohr erreicht, durch den die Mikrowellen fokussiert werden. Die Mikrowellen werden von einem speziell entwickelten 1 kW, 2,45-Gh-Magnetron erzeugt und durch den Leiter geleitetdas sich bei Annäherung an das Plasma auf die Hälfte seiner ursprünglichen Größe verjüngt und sich dann wieder ausdehnt. Dieser Prozess erhöht die elektrische Feldstärke und übt so viel Wärme und Druck wie möglich auf das Plasma aus.
Ein Quarzrohr wird auch an seiner engsten Stelle in ein Loch im Wellenleiter platziert. Luft wird durch dieses Rohr gedrückt, strömt dann durch einen kleinen Abschnitt des Wellenleiters und verlässt dann das andere Ende des Quarzrohres.
Wenn Luft in die Röhre eintritt, strömt sie über Elektroden, die einem sehr hohen Feld ausgesetzt sind. Diese Behandlung entfernt Elektronen von einigen der Luft-/Gasatome hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff, was eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck erzeugtDer Luftdruck vom Gebläse des Geräts am Eintritt in die Röhre treibt das Plasma dann weiter die Röhre hinauf, bis es in den Wellenleiter eintritt.
Sobald sich das Plasma im Wellenleiter befindet, beginnen die geladenen Teilchen im Mikrowellenfeld zu schwingen – was zu einer schnellen Erwärmung führt. Dabei kollidiert die Suppe aus Atomen, Ionen und Elektronen häufig miteinander und verteilt die Energie der Ionenund Elektronen zu den neutralen Atomen, wodurch das Plasma schnell erhitzt wird.
Infolgedessen behaupten die Forscher, dass sich das Plasma schnell auf weit über 1.000 °C erwärmt. Das verbrauchte heiße Plasma erzeugt beim Austritt des heißen Gases aus dem Wellenleiter eine fackelartige Flamme und erzeugt so Schub.
Wie leistungsstark ist die neue Plasma-Engine?
Wenn der Luftstrom im Kompressor fein abgestimmt bleibt, schien sich der im Rohr erzeugte Flammenstrahl als Reaktion auf eine Zunahme der Mikrowellenleistung zu verlängern. Auf der Grundlage dieser Beobachtung versuchten die Forscher, die Schubkraft zu quantifizierenproduziert wurde.
Obwohl dies auf den ersten Blick relativ einfach klingt, hatte es einen schwerwiegenden Haken. Der vom Motor erzeugte tausend-Grad-Plasmastrahl würde ein normales Barometer zerstören.
Um dies zu überwinden, beschloss das Team, ein wenig über den Tellerrand zu schauen. Sie entwickelten eine Möglichkeit, eine hohle Stahlkugel oben auf dem Rohr zu balancieren. Diese Kugel wurde mit kleineren Stahlkugeln gefüllt, um ihr Gewicht bei Bedarf zu ändern.Bei einem bestimmten Gewicht wäre der Schub so groß, dass er den auf die Kugel wirkenden Gravitationskräften nach unten am Auslassende des Rohres entgegenwirkt, so dass es auf eine bestimmte Höhe über dem Rohr angehoben werden kann.
Sie können sich das echte Filmmaterial ansehenMotor in Aktion hier.
Unter Verwendung dieser gemessenen Entfernung und durch Subtrahieren des vom Kompressor hinzugefügten Schubs war das Team in der Lage, indirekt eine Schätzung des Schubs des Plasmastrahls zu erhalten.
Mit dieser innovativen, wenn auch unkonventionellen Technik konnte das Team das Gerät über eine Reihe von Leistungsstufen und Luftstromraten testen. Wie sich herausstellte, gelang es ihnen, eine lineare Beziehung zwischen der Antriebskraft und sowohl der Mikrowellenleistung als auch dem Luftstrom zu finden.
Außerdem scheint die Technologie auch ziemlich effizient zu sein. Sie kann abpumpen eine Vortriebskraft bei 400 W elektrischer Leistung und 1,45 Kubikmeter Luft pro Stunde betrug 2,45 Pfund Schub 11 N, was einer Umwandlung von Leistung in Schub mit einer Geschwindigkeit von 6,29 Pfund Schub 28 N/kW.
Unter der Annahme der linearen Beziehung zwischen Mikrowellenleistung und Luftstrom und Schubleistung sollte es möglich sein, a zu verwendenTesla Model S Akku in der Lage, 310 kW auszugeben und dies in etwa 1,911 Pfund 8,5 kN Vortriebskraft umzuwandeln.
Um dies ins rechte Licht zu rücken, verwendete das inzwischen eingestellte zweisitzige Elektroflugzeug Airbus E-Fan zwei elektrische Umlenkventilatoren mit 30 kW, die zusammen einen gesamten statischen Triebwerksschub von etwa 1,5 kN erzeugen. Mithilfe einiger Berechnungen von Zigarettenschachtelnwürde eine Effizienz von etwa 5,62 Pfund 25 N/kW bedeuten. Nicht schlecht, aber nicht so gut wie der von den Forschern hergestellte Prototyp.
Zukünftig sucht das Team bereits nach Möglichkeiten, eine ausgeklügeltere und zuverlässigere Methode zum Testen der Schubleistung der Technologie zu verwenden. Sie suchen auch nach Möglichkeiten, die Effizienz des Triebwerks weiter zu verfeinern und zu verbessern.
Abgesehen davon, sieht es mit diesem innovativen Plasma-Triebwerkskonzept auf jeden Fall gut aus.Aber wenn die Dinge nur so einfach wären. Es gibt natürlich einige wichtige catmet mit einer solchen Innovation.
So aufregend diese Technologie auch ist, sie wird wahrscheinlich nicht viele Käufer in der finden.aufstrebender eVTOL-Markt.Obwohl es leiser ist als die Stützen von Abluftventilatoren, könnte seine tausend-Grad-Absaugung einige ernsthafte Probleme verursachen. Ein weiteres Problem ist das, wie Ars Technica weist darauf hin, dass "die Luftströme im Bereich von etwa 15.000 mal geringer sind als bei einem Full-Size-Triebwerk. Der Schub muss auch um etwa vier Größenordnungen skalieren d.h. die Leistung auch. Linear extrapolierenTrends über vier Größenordnungen ist eine gute Möglichkeit, vom Leben enttäuscht zu werden."
Einige Leute, die sich die Daten ansehen, haben auch auf einige seltsame Auslassungen in den derzeit verfügbaren Daten hingewiesen, die vom Team veröffentlicht wurden. Aus irgendeinem Grund, und es wird keiner angegeben, zeigen die Datenpunkte nicht die höchsten Mikrowellenleistungspegel bei den höchsten Fluggeschwindigkeiten derPrototyp.
Obwohl dieser Nebel einfach darauf zurückzuführen ist, dass der Prüfstand bei diesen Leistungsstufen nicht getestet wurde, könnte er auch darauf hinweisen, dass bei diesen Leistungsstufen ernsthafte Probleme mit dem Motor vorliegen.
Ein weiteres Problem für die Zukunft eines solchen Triebwerks ist seine Stromversorgung. Obwohl es bei einer vergleichbaren Energieversorgung mindestens, wenn nicht sogar effizienter als normale Airbus-Triebwerke ist, bleibt die Tatsache, dass Flugbenzin einsehr energiereiche Brennstoffquelle Dies ist insbesondere im Vergleich zu Batterien der Fall eigentlich irgendwo in der Region von 43 mal mehr.
Vergleichen Sie die 28 N/kW der neuen Triebwerke mit den Triebwerken eines kommerziellen Airbus A320, die zusammen rund 220.000 N Schub erzeugen. Dies bedeutet, dass das neue Triebwerk für den Antrieb eines vergleichbar großen Düsenflugzeugs mehr als 7.800 benötigen würdeKilowatt Leistung – ungefähr so viel wie die von 570 Tesla Powerwall 2 Einheiten.
Abgesehen davon ist dies eine sehr interessante technologische Innovation. Wenn sich dieses neue Plasma-basierte Triebwerksdesign als der wahre McCoy erweist und skalierbar, ganz zu schweigen von der Effizienz, könnte es einen Quantensprung in nicht-fossilen Bereichen bedeutentreibstoffbetriebener Flugantrieb.
Beobachte diesen Raum, na ja, Himmel.