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等离子体火箭将是未来深空探测的利器

时间:2016年08月08日 信息来源:腾讯科学 点击: 【字体:

腾讯太空讯 据国外媒体报道,50年前,人类首次登上月球,如今,人们将目光又投向了火星,希望能将人类送上火星。从地球到月球只需3天,而火星之旅则需花费几近一年,另外,整个航程需要更多燃料。那么,我们该如何将人类送上比月球更远100倍的火星。土星-阿波罗两个火箭加起来能搭载的质量只约等于一个货运火车厢所能装载的质量,想要在火星上建造一所房子,得用十几个这样的火箭运输材料。遗憾的是,目前使用化学燃料来发射火箭的方式还无法被取代,因为只有能量巨大的化学反应才能产生足够的推动力克服地球引力。

不过,一旦到了太空中,一种新型的火箭技术便能发挥作用:等离子火箭。等离子火箭是一种能将燃料转化成带电粒子的新型技术,相比于传统的化学火箭,等离子火箭总计大约可以节省90%的燃料使用。也就是说,在相同质量燃料下,等离子火箭可以搭载的货物质量是传统的10倍。等离子火箭的一个主要缺点在于低推力。火箭通过将电能输入气体燃料产生等离子体,将电子从正离子中剥离,随后离子从火箭尾部射出,推动探测器向前进。遗憾的是,这些等离子体所做的不仅仅是推动探测器,它会摧毁任何与它有接触的物质。

带负电的离子墙会吸引带正离子高速撞击,破坏原子,逐渐削弱其功能,最终,当撞击离子墙的正离子达到一定数量时,推力器便会停止运转,而探测器则滞留在太空中。使用更坚硬的材料来抵御撞击是远远不够的,无论材料多坚硬,总会造成一定损坏。我们需要更有效的方式来避免这些损坏。如果墙体会自我修复呢?有两个物理过程可以达到这个效果。一个名为弹道沉积,存在于材料不平整表面的微观物质。

当离子撞击墙体时,这些微观物质会四散开来,一些会停留在附近的凸起部分,使墙体维持大体完好,然而,总是有一些原子会彻底消失。另一种现象更不直观,并且与等离子体的状态有关。想象一下,墙体颗粒脱落后又飞入等离子中。对推力器来说,负离子墙和墙体本身的电力使这些颗粒反向回到墙体中,而不会消失。这种现象名为等离子体沉积,可以通过调节等离子的密度与温度来控制该过程。

研究人员制造了一个等离子体并将其粉碎为微观材料,以观察弹道沉积和等离子体所产生的效果。在首次试验中,研究人员只调整了等离子体的状况,结果只发现了弹道沉积,而没有产生等离子体沉积现象。随后研究人员又对墙体进行了研究,在首个测试样本中损坏减少了20%,提升表面微观物质的情况后,损坏能减少的更多,大约能达到50%。下一步则是加入等离子体沉积的效果,看看是否真的能创造出可用的推力装置。

随着等离子推力器功能越来越强大,它们也变得更加脆弱,能自我修复的墙体就显得尤为重要。研究人员的最终目标是设计一个利用高科技材料建造的推力器,所能持续的时间比任意一个火星任务所需的时间长10倍,真正成为永恒的墙体。


(作者:罗辑/编译)
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