Устройство будет применять магнитные поля, чтобы заставить частицы плазмы, электрически заряженного газа, также известного как четвертое состояние материи, вылетать из задней части ракеты и, благодаря сохранению импульса, продвигать корабль вперед. Современные плазменные двигатели, испытанные в космосе, используют электрические поля для приведения частиц в движение.

Новая концепция позволила бы ускорить частицы, используя магнитное пересоединение, процесс, встречающийся по всей Вселенной, включая поверхность Солнца, при котором линии магнитного поля сходятся, внезапно разделяются, а затем снова соединяются, производя много энергии. Повторное подключение также происходит внутри термоядерных устройств в форме пончика, известных как токамаки.

"Я готовила эту концепцию некоторое время", - сказала главный физик-исследователь PPPL Фатима Эбрахими, изобретатель концепции и автор статьи, подробно описывающей идею в Журнал физики плазмы. "Эта идея пришла мне в голову в 2017 году, когда я сидел на палубе и размышлял о сходстве между выхлопом автомобиля и высокоскоростными частицами выхлопных газов, созданными Национальным экспериментом PPPL по сферическому тору (NSTX)", предшественником нынешней флагманской термоядерной установки лаборатории. "Во время своей работы этот токамак производит магнитные пузырьки, называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что, как мне показалось, очень похоже на тягу".

Термоядерный синтез, энергия, которая приводит в движение солнце и звезды, объединяет легкие элементы в форме плазмы - горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, которое составляет 99% видимой Вселенной, - для выработки огромного количества энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле для получения практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Современные плазменные двигатели, которые используют электрические поля для приведения частиц в движение, могут производить только низкий удельный импульс или скорость. Но компьютерное моделирование, проведенное на компьютерах PPPL и в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований, пользовательском центре Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать выхлопные газы со скоростью сотен километров в секунду, что в 10 раз быстрее, чем у других двигателей.

По словам Эбрахими, эта более высокая скорость в начале полета космического корабля может привести к тому, что внешние планеты окажутся в пределах досягаемости астронавтов. "Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень низок, поэтому кораблю требуется некоторое время, чтобы набрать скорость", - сказала она. "Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то, возможно, сможем выполнять дальние полеты за более короткий промежуток времени".

Есть три основных различия между концепцией двигателя Ebrahimi и другими устройствами. Первое заключается в том, что изменение напряженности магнитных полей может увеличить или уменьшить величину тяги. "Используя больше электромагнитов и магнитных полей, вы, по сути, можете повернуть ручку для точной настройки скорости", - сказал Эбрахими.

Во-вторых, новый двигатель обеспечивает движение, выбрасывая как частицы плазмы, так и магнитные пузырьки, известные как плазмоиды. Плазмоиды увеличивают мощность двигателя, и ни одна другая концепция двигателя не включает их.

В-третьих, в отличие от современных концепций двигателей, которые основаны на электрических полях, магнитные поля в концепции Эбрахими позволяют плазме внутри двигателя состоять либо из тяжелых, либо из легких атомов. Такая гибкость позволяет ученым адаптировать величину тяги для конкретной миссии. "В то время как для других двигателей требуется тяжелый газ, состоящий из атомов, таких как ксенон, в этой концепции вы можете использовать любой тип газа, который захотите", - сказал Эбрахими. В некоторых случаях ученые могут предпочесть легкий газ, потому что более мелкие атомы могут двигаться быстрее.

Эта концепция расширяет портфель исследований PPPL в области космических двигателей. Другие проекты включают эксперимент Hall Thruster, который был начат в 1999 году физиками PPPL Евгением Райтсом и Натаниэлем Фишем для исследования использования частиц плазмы для перемещения космических аппаратов. Райтсес и студенты также исследуют использование крошечных двигателей Холла, чтобы придать небольшим спутникам, называемым CubeSats, большую маневренность на орбите Земли.

Эбрахими подчеркнула, что ее концепция двигателя напрямую связана с ее исследованиями в области термоядерной энергии. "Эта работа была вдохновлена прошлыми работами по термоядерному синтезу, и это первый случай, когда плазмоиды и пересоединение были предложены для космических двигателей", - сказал Эбрахими. "Следующий шаг - создание прототипа!"