Ученые МИФИ использовали разрушительные колебания плазмы при разработке нового типа двигателя
Исследователи Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» научились не подавлять, а использовать один из самых неприятных побочных эффектов в плазменных установках — вторично-эмиссионные неустойчивости. Результатом стал концепт принципиально нового плазменного двигателя и генератора сверхмощных импульсов на базе автоколебательного вторично-эмиссионного разряда, которому не нужны сложные внешние системы питания.
В любой плазменной установке, от промышленных магнетронных распылительных экспериментальных термоядерных реакторов до ионных двигателей, на границе между плазмой и стенкой камеры происходит обмен зарядами. Если электрод обладает высокой вторичной эмиссией, этот процесс может стать неустойчивым. Возникают колебания тока и напряжения, которые считаются опасными: они приводят к срывам плазмы, выходу из строя блоков питания и разрушению оборудования.
Ученые НИЯУ МИФИ обнаружили, что при грамотном контроле параметров, разряд с высокоэмиссионным электродом представляет собой электрический элемент с особой вольт-амперной характеристикой, способной превратить саму систему в генератор или широкополосный усилитель.
«Мы пытаемся не избавиться от этих эффектов, а использовать их. В предлагаемой нами системе ВЧ-колебания формируются за счет самой плазмы и плазменно-поверхностного взаимодействия внутри камеры двигателя без внешних генераторов, фидерных линий и согласующих устройств», — пояснил один из авторов исследования, заведующий кафедрой физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян.
По словам ученых, секрет кроется в тончайшем слое на поверхности электрода. Авторы использовали металлы (например, алюминий), из которых формируется оксидная пленка толщиной около 50 нанометров.
«Эта пленка в совокупности с плазмой работает как широкополосный усилитель. В ней возникает электрическое поле, которое позволяет электронам из металла туннелировать. Часть электронов оседает на поверхности для перезарядки, а большая часть уходит в вакуум. Коэффициент вторичной эмиссии в такой системе возрастает в десятки и сотни раз. Именно этот микроскопический слой, тоньше человеческого волоса в тысячи раз, определяет свойства мощного разряда, раскачивая колебания до гигагерцового диапазона или с амплитудами до сотен киловольт», — рассказал еще один автор работы, старший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Иван Сорокин.
Первое и самое очевидное применение разработки, на которое указывают авторы исследования, — плазменные ракетные двигатели. Самые энергоэффективные современные плазменные двигатели требуют внешних систем накачки ВЧ-мощности — геликонных антенн.
«Отсутствие такой антенны в предлагаемом нами концепте кардинально упрощает и облегчает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и кратно увеличивать мощность двигателя. При использовании в космосе очень важно, что у конструкции резко сокращаются габариты и вес. Количество устройств уменьшается, и можно использовать исключительно простые бортовые схемы постоянного тока», — отметил Иван Сорокин.
Одно из главных преимуществ нового типа двигателя при возможных межпланетных перелетах — широкий спектр рабочих веществ, которые можно использовать в двигателе для «производства» плазмы. Двигатель способен эффективно работать на водороде с примесями кислорода и, что самое важное, на парах воды.
«Для космоса вода идеальна: она компактна, не требует тяжелых газовых баллонов или сложных систем хранения, как водород», — пояснил Юрий Гаспарян.
В настоящее время в МИФИ собран макет установки мощностью до 10 киловатт. Сейчас физики подбирают оптимальные режимы и исследуют работу на различных газах.