從太陽得到靈感,女物理學家發明新型火箭,一個月就能到火星

薛定諤的貓 2021/08/27 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

宇宙中有數之不盡的星球,我們人類能去的星球卻少得可憐,在這些星球中,火星算得上人類最好的目標了。然而以我們現有的推進技術,火星其實還是很遙遠的,在算好了發射視窗的情況下,我們也需要花半年左右的時間才能到火星,這無疑給人類的火星之旅增加了不小的難度,因此科學家們一直在致力於新型火箭的研究工作。

現在我們有了一個好消息,一位來自普林斯頓等離子體物理實驗室的名為法蒂瑪·埃布拉希米(Fatima Ebrahimi)的女物理學家發明新型火箭,據悉這種新型火箭比現有推進器快十倍,以這種實力,只需要一個月就能到火星,而根據這位女物理學家的介紹,她的這項研究是從太陽得到靈感。具體是怎麼回事呢?下面我們就來瞭解一下。

人類現有的推進器為什麼這麼慢?

通常情況下,我們可以用「比衝量」來衡量一個推進系統的效率,所謂「比衝量」就是指單位推進劑所產生的衝量,其單位為秒,舉個例子,比如說對於一個推進器的「比衝量」為100秒,我們就可以簡單地將其理解為,該推進器每1公斤燃料可以持續產生100秒大小為1公斤的推力。

實際上,我們人類在航太領域使用得最多的化學火箭,其「比衝量」其實是很低的,例如著名的土星5號,其1級火箭的「比衝量」為263秒,而它的2、3級火箭也的「比衝量」也只有421秒。

化學火箭如此低的「比衝量」,使得我們要將一個物體發射到外太空,往往需要數十倍該物體質量的燃料,而即使進入了外太空,化學火箭也無法提供持續且強大的推力,當然也就飛不快了。

為了提高推進器的「比衝量」,科學家開發出了離子推進器,其基本原理就是先將工質電離成帶電粒子,然後利用強電場產生的洛倫茲力將這些帶電粒子高速噴出,從而使航天器獲得推力。

由於在這個過程並沒有什麼能量損失,因此離子推進器的「比衝量」就要比化學火箭高得多,例如NASA的「NEXT」離子推進器,其「比衝量」就高達4300秒,比土星5號高出了十倍有餘。

但現有的離子推進器卻有一個缺點,那就是推力太小,簡單來講,這是因為現有的離子推進器噴出的帶電粒子束質量太小了,對此有人將其推力形容為「只能吹動一張紙」。在這種情況下,現有的離子推進器就需要花很長的時間才能將航天器加速到想要的速度,而在此之前,它其實也飛得很慢。

那麼應該如何提高離子推進器的性能呢?其實有辦法,根據動量守恆定律,在質量不變的情況下,我們只需要想辦法提高帶電粒子的噴出速度,就可以獲得更大的推力。

從太陽得到靈感

太陽的表面並不是一直都是「風平浪靜」的,在有些時候,太陽表面會發生一種劇烈的爆發現象,並在短時間內釋放出大量的能量,這種現象被稱為「太陽耀斑」,觀測資料顯示,當「太陽耀斑」產生時,會伴隨著強烈的帶電粒子輻射,而這些帶電粒子的速度往往可以達到每秒鐘上千公里。

為什麼這些帶電粒子的速度會如此之快呢?想象一下,假如我們從繩子的兩頭向相反的方面一直擰,在這個過程中,只要我們的力量足夠,那麼繩子的形變就會越來越厲害,當達到極限的時候,繩子就會發生斷裂,從而釋放出能量。

太陽的磁場的磁力線也會發生類似的紐纏,這被稱為「磁紐纏」,同樣的,當太陽磁結構的紐纏達到極限時,也會發生斷裂並釋放出大量的能量,在此之後,磁力線又會重新連接,這被稱為「磁重聯」。由此我們可以看到,「太陽耀斑」產生的高速帶電粒子,其能量是來自於「磁紐纏」能量的集中釋放。

法蒂瑪從太陽得到靈感,然後開始思考如何模仿這種機制,她通過仔細觀察後發現,在「托卡馬克」運行時,其中就存在著上述現象(注:「托卡馬克」是一種有望利用磁約束來實現可控核聚變的環形裝置)。

在接下來的時間裡,這位女物理學家對「托卡馬克」中相關裝置進行了改進,著重優化了靜電場和磁場配置,從而提高了「磁紐纏」能量釋放的強度,並在此基礎上發明了前面所講的新型火箭。

(圖為該火箭的工作原理圖)

這種新型火箭有多強?

模擬運行的結果表明,這種新型火箭所噴出的帶電粒子束,其速度可以達到每秒鐘500公里,相對而言,NASA的「NEXT」離子推進器噴出的粒子速度只有每秒鐘40公里,這就意味著,這種新型火箭可以比現有推進器快十倍,甚至更多。

由於以現有的離子推進器的實力,飛到火星大約需要9至12個月的時間,因此可以說,這種新型火箭一個月就能到火星。值得一提的是,這種新型火箭允許推進器內部的帶電粒子由重原子或輕原子組成,這使得人們能夠更加靈活地調整推力的大小,從而讓航天器完成不同的任務。

需要注意的是,這項技術並不是想象中的那麼遙不可及,因為它所需要的基礎技術都是現成的,理論上來講,只需要假以時間對相關部件進行完善就可以實現。可以想象的是,如果在不久的將來,這項技術真的投入了實際應用,那麼對於人類而言,火星將不再是那麼遙遠,讓我們一起期待吧。

 

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