Удосконалення іонних двигунів дозволить здійснити польоти в далеке космічне простір
Однією з основних проблем, що обмежують використання іонних двигунів межами близького космічного простору і Сонячної системи, є ерозія матеріалу стінок робочої камери і вихідного каналу цих двигунів. Але команда вчених з Каліфорнійського технологічного інституту знайшла спосіб захистити матеріал стінок двигуна від бомбардування розігнаними іонами з допомогою спеціально сформованого захисного магнітного поля.
Іони в електричних ракетних двигунах виходять в результаті зіткнень атомів газу з електронами. В результаті таких зіткнень в робочій камері двигуна утворюється потік плазми, що створює магнітне поле певної конфігурації, напрямок якого перпендикулярно напрямку вихідного каналу іонного двигуна. Розгону електричне поле, за рахунок якого іони розганяються до швидкості близько 70 тисяч кілометрів на годину, орієнтоване в напрямі уздовж каналу до вихідного отвору.
Проте, присутність електрично зарядженої плазми в робочій камері і розгінний каналі двигуна обумовлює прояв взаємодії плазми з магнітним полем, що в свою чергу породжує появу відхилень частини електричного поля від нормального напряму. У деяких локальних областях напрям електричного поля навіть стає паралельним напрямку магнітного поля і окремі іони, замість того, щоб кинутися назовні з сопла двигуна, вдаряють по стінках розгінного каналу і робочої камери, вибиваючи звідти атоми матеріалу, що призводить до появи ерозії, руйнівної матеріал.
Тим не менш, команда вчених придумала нову конструкцію іонного двигуна, в яких ефекти взаємодії плазми і магнітного поля мінімізовані, тому електричне поле завжди залишається паралельним стінок розгінного каналу двигуна і всі іони благополучно покидають межі двигуна, не завдаючи йому фізичної шкоди. Вченим вдалося домогтися такого ефекту, провівши складне математичне моделювання, що описує взаємодію магнітних, електричних полів і плазми всередині іонного двигуна. Це дозволило вченим визначити оптимальну топологію магнітного поля, за допомогою якої основна маса іонів розганяється до високих швидкостей на значній відстані від стінок двигуна, а по мірі наближення до стінок енергія іонів значно зменшується. Іони, що володіють низькою енергією, навіть зіткнувшись з матеріалом стінки, не можуть вибити атоми матеріалу, що дозволило звести практично немає ерозію матеріалу конструкції іонного двигуна.
Використовуючи свої розрахунки, дослідники створили метод, який отримав назву додаткової магнітного захисту, і який був втілений у вигляді експериментального зразка двигуна нової конструкції. Математичні розрахунки і проведені у вакуумній камері випробування цього двигуна показали, що ефект ерозії матеріалу знизився у 100-1000 разів. Таке зниження ерозії матеріалу елементів конструкції двигуна означає, що двигун зможе працювати набагато довше, а космічний корабель, оснащений таким двигуном зможе розігнатися до великої швидкості і полетіти на більшу відстань.