В МИФИ разработали концепт плазменного двигателя без внешних систем питания

Учёные НИЯУ МИФИ предложили использовать вторично-эмиссионные колебания плазмы, которые раньше считали вредными. Концепт двигателя работает без внешних систем ВЧ-питания, а в институте собран макет мощностью до 10 киловатт.

Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработали концепт плазменного двигателя, который не нужно подключать к сложным внешним системам питания. Основа — автоколебательный вторично-эмиссионный разряд. Тот же принцип может лечь в основу генератора сверхмощных импульсов.

Раньше колебания такого рода считали опасными. Когда электрод обладает высокой вторичной эмиссией, обмен зарядами на границе плазмы и стенки камеры становится неустойчивым. Колебания тока и напряжения приводят к срывам плазмы, выходу из строя блоков питания и разрушению оборудования. Исследователи решили не подавлять этот эффект, а использовать его.

Ключ к технологии — тонкая оксидная пленка на поверхности электрода, например алюминиевого, толщиной около 50 нанометров. Слой тоньше человеческого волоса в тысячи раз. Вместе с плазмой пленка работает как широкополосный усилитель: в ней возникает электрическое поле, электроны из металла туннелируют, часть из них оседает на поверхности, большая часть уходит в вакуум, как поясняет старший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Иван Сорокин. В такой системе коэффициент вторичной эмиссии возрастает в десятки и сотни раз, а колебания достигают гигагерцового диапазона или амплитуд до сотен киловольт.

Первое применение — плазменные ракетные двигатели. Самые энергоэффективные современные плазменные двигатели требуют внешних систем накачки ВЧ-мощности, геликонных антенн. В предложенном концепте такой антенны нет. Это упрощает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и кратно увеличить мощность двигателя. По словам Ивана Сорокина, в космосе габариты и вес конструкции резко сокращаются, устройств становится меньше, а бортовые схемы можно сделать простыми, постоянного тока.

Двигатель может работать на разных рабочих веществах: на водороде с примесями кислорода и на парах воды. Заведующий кафедрой физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян объясняет выбор воды так: > Для космоса вода идеальна: она компактна, не требует тяжелых газовых баллонов или сложных систем хранения, как водород > — Юрий Гаспарян, заведующий кафедрой физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ По его словам, при полетах к планетам, где есть вода, двигатель сможет заправляться на месте.

Сейчас в МИФИ собран макет установки мощностью до 10 киловатт. Физики подбирают оптимальные режимы и исследуют работу на различных газах.

Вторая ветвь исследований касается генерации высоковольтных импульсов. Устройство с внешним питанием в сотни вольт выдает на выходе частотно-модулированные импульсы размахом в сотни киловольт.

Поводом для работы стали запросы из промышленности. Коллеги с производства обратились к физикам: в их мощных магнетронах на алюминиевых электродах самопроизвольно возникали высокочастотные колебания, которые сжигали дорогостоящую электронику. По словам Ивана Сорокина, в промышленности пока нет понимания теории этого процесса, а само явление слабо изучено.

НИЯУ МИФИ