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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量只約等于一個貨運火車廂所能裝載的質量,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揮作用:等離子火箭。等離子火箭是一種能將燃料轉化成帶電粒子的新型技術,相比于傳統的化學火箭,等離子火箭總計大約可以節省90%的燃料使用。也就是說,在相同質量燃料下,等離子火箭可以搭載的貨物質量是傳統的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。

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量時,推力器便會停止運轉,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。
當離子撞擊墻體時,這些微觀物質會四散開來,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。另一種現象更不直觀,并且與等離子體的狀態有關。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。這種現象名為等離子體沉積,可以通過調節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生的效果。在首次試驗中,研究人員只調整了等離子體的狀況,結果只發現了彈道沉積,而沒有產生等離子體沉積現象。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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