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等離子體火箭將是未來(lái)深空探測的利器
發(fā)布日期：2017-05-17
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騰訊太空訊 據國外媒體報道，50年前，人類(lèi)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(lèi)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(gè)航程需要更多燃料。那么，我們該如何將人類(lèi)送上比月球更遠100倍的火星。土星-阿波羅兩個(gè)火箭加起來(lái)能搭載的質(zhì)量只約等于一個(gè)貨運火車(chē)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(gè)這樣的火箭運輸材料。遺憾的是，目前使用化學(xué)燃料來(lái)發(fā)射火箭的方式還無(wú)法被取代，因為只有能量巨大的化學(xué)反應才能產(chǎn)生足夠的推動(dòng)力克服地球引力。
不過(guò)，一旦到了太空中，一種新型的火箭技術(shù)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化成帶電粒子的新型技術(shù)，相比于傳統的化學(xué)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(shuō)，在相同質(zhì)量燃料下，等離子火箭可以搭載的貨物質(zhì)量是傳統的10倍。等離子火箭的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于低推力?；鸺ㄟ^(guò)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(dòng)探測器向前進(jìn)。遺憾的是，這些等離子體所做的不僅僅是推動(dòng)探測器，它會(huì )摧毀任何與它有接觸的物質(zhì)。
帶負電的離子墻會(huì )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(shí)，推力器便會(huì )停止運轉，而探測器則滯留在太空中。使用更堅硬的材料來(lái)抵御撞擊是遠遠不夠的，無(wú)論材料多堅硬，總會(huì )造成一定損壞。我們需要更有效的方式來(lái)避免這些損壞。如果墻體會(huì )自我修復呢？有兩個(gè)物理過(guò)程可以達到這個(gè)效果。一個(gè)名為彈道沉積，存在于材料不平整表面的微觀(guān)物質(zhì)。
當離子撞擊墻體時(shí)，這些微觀(guān)物質(zhì)會(huì )四散開(kāi)來(lái)，一些會(huì )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(huì )徹底消失。另一種現象更不直觀(guān)，并且與等離子體的狀態(tài)有關(guān)。想象一下，墻體顆粒脫落后又飛入等離子中。對推力器來(lái)說(shuō)，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(huì )消失。這種現象名為等離子體沉積，可以通過(guò)調節等離子的密度與溫度來(lái)控制該過(guò)程。
研究人員制造了一個(gè)等離子體并將其粉碎為微觀(guān)材料，以觀(guān)察彈道沉積和等離子體所產(chǎn)生的效果。在首次試驗中，研究人員只調整了等離子體的狀況，結果只發(fā)現了彈道沉積，而沒(méi)有產(chǎn)生等離子體沉積現象。隨后研究人員又對墻體進(jìn)行了研究，在首個(gè)測試樣本中損壞減少了20%，提升表面微觀(guān)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(zhù)等離子推力器功能越來(lái)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(gè)利用高科技材料建造的推力器，所能持續的時(shí)間比任意一個(gè)火星任務(wù)所需的時(shí)間長(cháng)10倍，真正成為永恒的墻體。（羅輯/編譯）
