Как превратить разрушительные колебания плазмы в новый тип двигателя

Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» представили разработку, способную изменить облик космической отрасли и радиационных технологий. Исследователи научились не подавлять, а использовать один из самых неприятных побочных эффектов в плазменных установках — вторично-эмиссионные неустойчивости. Результатом стал концепт принципиально нового плазменного двигателя и генератора сверхмощных импульсов на базе автоколебательного вторично-эмиссионного разряда, которому не нужны сложные внешние системы питания.

Как заставить хаос работать

В любой плазменной установке — от промышленных магнетронных распылительных экспериментальных термоядерных реакторов до ионных двигателей — на границе между плазмой и стенкой камеры происходит обмен зарядами. Если электрод обладает высокой вторичной эмиссией, этот процесс может становиться неустойчивым. Возникают колебания тока и напряжения, которые традиционно считаются опасными: они приводят к срывам плазмы, выходу из строя блоков питания и разрушению оборудования.

Коллектив ученых НИЯУ МИФИ пошел против течения. Они обнаружили, что при грамотном контроле параметров, разряд с высокоэмиссионным электродом представляет собой электрический элемент с особой вольт-амперной характеристикой (имеющей N-образную форму с областью отрицательного дифференциального сопротивления), способной превратить саму систему в генератор или широкополосный усилитель.

Мы пытаемся не избавиться от этих эффектов, а использовать их, — пояснил заведующий кафедры физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян. — В предлагаемой нами системе ВЧ колебания формируются за счет самой плазмы и плазменно-поверхностного взаимодействия внутри камеры двигателя без внешних генераторов, фидерных линий и согласующих устройств.

Ключевой элемент: туннельно-тонкая плёнка

Секрет технологии кроется в тончайшем слое на поверхности электрода. Ученые используют металлы (например, алюминий), из которых формируется оксидная пленка толщиной около 50 нанометров.

Эта плёнка в совокупности с плазмой работает как широкополосный усилитель, —поясняет старший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Иван Сорокин. — В ней возникает электрическое поле, которое позволяет электронам из металла туннелировать. Часть электронов оседает на поверхности для перезарядки, а большая часть уходит в вакуум.

Коэффициент вторичной эмиссии в такой системе возрастает в десятки и сотни раз. Именно этот микроскопический слой, тоньше человеческого волоса в тысячи раз, определяет свойства мощного разряда, раскачивая колебания до гигагерцового диапазона или с амплитудами до сотен киловольт.

Космическая тяга на воде

Первое и самое очевидное применение разработки — плазменные ракетные двигатели. Самые энергоэффективные современные плазменные двигатели требуют внешних систем накачки ВЧ мощности — геликонных антенн. Отсутствие такой антенны в предлагаемом нами концепте кардинально упрощает и облегчает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и кратно увеличивать мощность двигателя.

При использовании в космосе очень важно, что у конструкции резко сокращаются габариты и вес, — отмечает Иван Сорокин. — Количество устройств уменьшается, и можно использовать исключительно простые бортовые схемы постоянного тока.

Одно из главных преимуществ нового типа двигателя при возможных межпланетных перелетах — широкий спектр рабочих веществ, которые можно использовать в двигателе для «производства» плазмы. Двигатель способен эффективно работать на водороде с примесями кислорода и, что самое важное, на парах воды.

Для космоса вода идеальна: она компактна, не требует тяжелых газовых баллонов или сложных систем хранения, как водород, — говорит Юрий Гаспарян. — Если мы летим на планеты, где есть вода, то сможем заправляться на месте.

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

Рентген, имплантация и термояд

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

Это открывает перспективы в нескольких областях:

Ионная имплантация: внедрение ионов на большую глубину в твердые тела для создания новых материалов. Управляемая рентгенография: возможность гибко регулировать энергию и частоту излучения. Генерация нейтронов: инициация реакций дейтерий-дейтерий (ДД) и дейтерий-тритий (ДТ) на насыщенных поверхностях.

Когда побочный эффект сжигает заводы

Актуальность проблемы, которую решают в МИФИ, подтверждается запросами из промышленности. Недавно к физикам обратились коллеги с производства. В их мощных магнетронах на алюминиевых электродах самопроизвольно возникали высокочастотные колебания, которые буквально сжигали дорогостоящую электронику.

До сих пор в промышленности нет понимания теории этого процесса, — резюмирует Иван Сорокин. — Явление слабо изучено, поэтому для нас, как физиков, открывается огромный простор для творчества. Мы превращаем то, что ломало оборудование, в инструменты для создания тяги и сверхмощных импульсов.

Источник: Минобрнауки России
Изображение на обложке: разработано Magnific