Plazma



Plazma to stan materii, który polega na całkowitej jonizacji atomów ( w plazmie atomy są całkowicie pozbawione elektronów). Plazma może mieć i obecnie ma szerokie zastosowanie w technice bez wyłączenia technologii kosmicznej. Często mówi się, że plazma jest czwartym stanem skupienia materii, ale wciąż wiedza na jej temat jest dosyć ograniczona. Wielu takich naukowców jak Siergiej Korolow, który w latach 50-tych ubiegłego wieku zbudował chyba pierwszy tokamak plazmowy, aż do dzisiaj próbowało okiełznać energię rozgrzanej plazmy, ponieważ rylko w tych warunkach materia może podlegać fuzji termojądrowej.


Accelerated plasma and electric field are creating thrust

Deuter i tryt

Magnetic plasma confinement in electric field as a attempt to obtain electric field propulsion able to propellant-less cosmic interplanetary journey within solar system. However magnetic plasma confinement is still not complete technology created already on earth by humans and still plasma as a state of matter is not enough well-explained side of recent physic, thus thinking about space journey with application of this kind of technology looks like another fable from distant future book. But according to recent fast progress in science it seems to be a reality within several decades.


Plazma in a magnetic trap in electric field

Plazma reaguje na pole elektryczne (napięcie elektryczne) i można za pomocą tego pola nadawać jej przyśpieszenie. Energia pola elektrycznego może być zamieniona tym samym na energię kinetyczną plazmy, która to energia może być potem użyta do wytworzenia sił mechanicznych służących do napędzania określonych urządzeń i pojazdów. Istniejące obecnie technologie kosmiczne wykorzystujące przyśpieszanie plazmy jak w napędzie jonowym, polegają na generowaniu bardzo słabego ciągu poprzez rozpędzanie plazmy (jonów) i wyrzucanie jej na zewnątrz z dużą energią jak w konwencjonalnym silniku rakietowym. Problem polega na tym, że w takim rozwiązaniu następuje ciągła utrata czynnika roboczego, którego zapas w zbiornikach jest ograniczony. W innej sytuacji jak na powyższym rysunku plazma krąży w obiegu zamkniętym, więc nie ma problemu z jej ubytkiem. Jedynym problemem jest tylko dostarczenie wymaganej energii jonizacji, którą zapewnić może np. generator radioizotopowy, lub reaktor jądrowy. Tego typu rozwiązanie polega na założeniu, że jony plazmy obijając się po drodze o wymiennik kinetyczny, napędzane polem elektrycznym oddadzą swoją energię kinetyczną na ten wymiennik, jest to odwrócenie sytuacji, w której gazy tworzą nadciśnienie, które popycha rakietę w konwencjonalnym napędzie rakietowym. Czy to zadziała, trudno bez wykonania fazy eksperymentalnej sprawdzić. Każdy ruch naładowanych elektrycznie cząstek powoduje dodatkowo powstawanie pola magnetycznego, biorąc to pod uwagę należy rozważyć czy pole to nie będzie zaburzało pracy tego typu urządzeń. Należy też zapewnić zabezpieczenie przed dążeniem plazmy do rekombinacji. Rysunek jest tylko rysunkiem poglądowym, w rzeczywistości należałoby zadbać o wiele potrzebnych rozwiązań technicznych o których na razie nie ma potrzeby wspominać. Mogą istnieć także inne uwarunkowania, które uniemożliwiałyby zbudowanie tego rodzaju napędów, a których obecnie nie jestem w stanie dostrzec, jedną z nich jest rozwiązanie powrotu plazmy, z czym mogą być duże problemy.


Tokamak toroidalny


Techniki uwięzienia plazmy

Istnieją obecnie różne strategie uwięzienia plazmy w celu produkcji energii z syntezy termojądrowej. W systemie zwykłych tokamaków, które obecnie są budowane we Francji (ITER), Chinach (EAST), Wielkiej Brytanii (MAST, JET) obowiązuje wersja tokamaka toroidalnego, w którym plazma ulega destabilizacji na skutek prądów wewnątrz samej plazmie, co pozwala na razie na uzyskanie nie dłuższych niż 60 sekund czasów, w których następuje reakcja termojądrowa w tego typu tokamaku co sprawia że bilans energetyczny pozostaje często ujemny. Stellarator ma odmienną konstrukcję pozwalającą na sterowanie plazmą wewnątrz stellaratora a na plazmę wewnątrz działają wszędzie takie same siły, co zapewnia ciągłą pracę.


Tokamak i stellarator


Napęd termonuklearny.