離子引擎大突破可以用億分之一的燃料帶我們到火星

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法國物理學家正在努力改良離子推進器,以延展太空梭的飛行時間: 有了這項新技術,燃料的用量是傳統式化學能推進器的億分之一,使我們更深入太空,做更多研究。

離子推進器是利用電場加速離子(帶正電荷的原子),提升離子由陽極(正極)通往陰極(負極)的速度,再由電子束撞擊離子保持中性,因此它們不會跟陰極互動而直接從推進器出去,原子持續的流動使太空梭能向前移動。

法國物理學團隊研究的正是霍爾推進器(Hall thruster),它的運作原理與其他離子引擎相同,但它多了帶負電荷的等離子(通常是一堆電子雲),逐出離子化氣體被帶負電荷的等離子加速。當離子經過陰極會變中性,不受電場與磁場的影響而高速前進,反方向的使太空梭往前。

從1971年起,已有超過240台霍爾推進器成功發射至太空,其中多數是在地球同步軌道的人造衛星。它們可以加速到每秒行進10至80公里(每秒6至50英里)。霍爾推進器能夠持續運轉10,000個小時,長時間運轉會嚴重耗損推進器的管壁,如要保證火箭能安全的往返火星,所需要的時數至少還要三倍或以上。

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(French National Center for Scientific Research)所幸著手設計一款無壁推進器。一開始的設計屢屢失敗,陽極在磁場裡,與電子雲互動,降低推進器效能。

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(左)初版無壁霍爾推進器:陽極在通道出口平面被移動。磁場線與陽極交叉(右)新型無壁推進器:離子以與軸線平行注入磁場。

在最新的模型裡,科學家把陽極移到磁場線外,造成更有效率的無壁霍爾推進器,不會受到推進減少或惡化。

整個研究團隊都非常期待最後的成果,團隊中的主導研究員Julien Vaudolon表示:「儘管研究已進行幾十年,我們對霍爾推進器物理學的了解仍然有限,而其性能量測依然還是要仰賴不斷的試驗和測驗,成本非常高。研究最困難的部分在於整個情境的重現,精準的模擬等離子和管壁的相互影響。無壁設計能夠則可以避免這個問題,使未來模擬預測更可靠,可行性更高。」

來源: Iflscience