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等離子體火箭將是未來深空探測的利器


騰訊太空訊 據(jù)國外媒體報道,50年前,人類首次登上月球,如今,人們將目光又投向了火星,希望能將人類送上火星。從地球到月球只需3天,而火星之旅則需花費幾近一年,另外,整個航程需要更多燃料。那么,我們該如何將人類送上比月球更遠100倍的火星。土星-阿波羅兩個火箭加起來能搭載的質(zhì)量只約等于一個貨運火車廂所能裝載的質(zhì)量,想要在火星上建造一所房子,得用十幾個這樣的火箭運輸材料。遺憾的是,目前使用化學燃料來發(fā)射火箭的方式還無法被取代,因為只有能量巨大的化學反應才能產(chǎn)生足夠的推動力克服地球引力。


不過,一旦到了太空中,一種新型的火箭技術便能發(fā)揮作用:等離子火箭。等離子火箭是一種能將燃料轉(zhuǎn)化成帶電粒子的新型技術,相比于傳統(tǒng)的化學火箭,等離子火箭總計大約可以節(jié)省90%的燃料使用。也就是說,在相同質(zhì)量燃料下,等離子火箭可以搭載的貨物質(zhì)量是傳統(tǒng)的10倍。等離子火箭的一個主要缺點在于低推力。火箭通過將電能輸入氣體燃料產(chǎn)生等離子體,將電子從正離子中剝離,隨后離子從火箭尾部射出,推動探測器向前進。遺憾的是,這些等離子體所做的不僅僅是推動探測器,它會摧毀任何與它有接觸的物質(zhì)。

帶負電的離子墻會吸引帶正離子高速撞擊,破壞原子,逐漸削弱其功能,最終,當撞擊離子墻的正離子達到一定數(shù)量時,推力器便會停止運轉(zhuǎn),而探測器則滯留在太空中。使用更堅硬的材料來抵御撞擊是遠遠不夠的,無論材料多堅硬,總會造成一定損壞。我們需要更有效的方式來避免這些損壞。如果墻體會自我修復呢?有兩個物理過程可以達到這個效果。一個名為彈道沉積,存在于材料不平整表面的微觀物質(zhì)。
當離子撞擊墻體時,這些微觀物質(zhì)會四散開來,一些會停留在附近的凸起部分,使墻體維持大體完好,然而,總是有一些原子會徹底消失。另一種現(xiàn)象更不直觀,并且與等離子體的狀態(tài)有關。想象一下,墻體顆粒脫落后又飛入等離子中。對推力器來說,負離子墻和墻體本身的電力使這些顆粒反向回到墻體中,而不會消失。這種現(xiàn)象名為等離子體沉積,可以通過調(diào)節(jié)等離子的密度與溫度來控制該過程。

研究人員制造了一個等離子體并將其粉碎為微觀材料,以觀察彈道沉積和等離子體所產(chǎn)生的效果。在首次試驗中,研究人員只調(diào)整了等離子體的狀況,結果只發(fā)現(xiàn)了彈道沉積,而沒有產(chǎn)生等離子體沉積現(xiàn)象。隨后研究人員又對墻體進行了研究,在首個測試樣本中損壞減少了20%,提升表面微觀物質(zhì)的情況后,損壞能減少的更多,大約能達到50%。下一步則是加入等離子體沉積的效果,看看是否真的能創(chuàng)造出可用的推力裝置。

隨著等離子推力器功能越來越強大,它們也變得更加脆弱,能自我修復的墻體就顯得尤為重要。研究人員的最終目標是設計一個利用高科技材料建造的推力器,所能持續(xù)的時間比任意一個火星任務所需的時間長10倍,真正成為永恒的墻體。(羅輯/編譯)

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