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等離子體火箭將是未來深空探測的利器
發(fā)布日期：2017-05-17
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騰訊太空訊 據(jù)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(fèi)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(yuǎn)100倍的火星。土星-阿波羅兩個火箭加起來能搭載的質(zhì)量只約等于一個貨運(yùn)火車廂所能裝載的質(zhì)量，想要在火星上建造一所房子，得用十幾個這樣的火箭運(yùn)輸材料。遺憾的是，目前使用化學(xué)燃料來發(fā)射火箭的方式還無法被取代，因為只有能量巨大的化學(xué)反應(yīng)才能產(chǎn)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(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(zhuǎn)化成帶電粒子的新型技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的化學(xué)火箭，等離子火箭總計大約可以節(jié)省90%的燃料使用。也就是說，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(tǒng)的10倍。等離子火箭的一個主要缺點(diǎn)在于低推力。火箭通過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探測器，它會摧毀任何與它有接觸的物質(zhì)。
帶負(fù)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(dāng)撞擊離子墻的正離子達(dá)到一定數(shù)量時，推力器便會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)呢？有兩個物理過程可以達(dá)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(zhì)。
當(dāng)離子撞擊墻體時，這些微觀物質(zhì)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(xiàn)象更不直觀，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。對推力器來說，負(fù)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(xiàn)象名為等離子體沉積，可以通過調(diào)節(jié)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(chǎn)生的效果。在首次試驗中，研究人員只調(diào)整了等離子體的狀況，結(jié)果只發(fā)現(xiàn)了彈道沉積，而沒有產(chǎn)生等離子體沉積現(xiàn)象。隨后研究人員又對墻體進(jìn)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(zhì)的情況后，損壞能減少的更多，大約能達(dá)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。
隨著等離子推力器功能越來越強(qiáng)大，它們也變得更加脆弱，能自我修復(fù)的墻體就顯得尤為重要。研究人員的最終目標(biāo)是設(shè)計一個利用高科技材料建造的推力器，所能持續(xù)的時間比任意一個火星任務(wù)所需的時間長10倍，真正成為永恒的墻體。（羅輯/編譯）
