等离子体火箭的工作原理

在柏林的一次会议上，一名男子正在观看世界上最大的高清液晶电视。等离子电视现在很普遍。图片来源:Getty Images

世界通常分为三种物质状态：固体、液体和气体。物质冷时是固体。当它加热时，会变成液体。当施加更多的热量时，就会产生气体。然而，故事并没有就此结束。当你添加更多的热量时，你会得到等离子体！额外的能量和热量将气体中的中性原子和分子分解成带正电的离子和带负电的电子。带电粒子赋予等离子体有趣的导电特性，因此等离子体技术被用于制造我们每天使用的各种物品。电脑芯片、霓虹灯标志，甚至薯片袋内部的金属涂层都是用等离子技术制造的。当然，还有等离子电视它利用等离子体释放光子，在屏幕上显示彩色像素。事实上，宇宙中99%的普通物质都处于等离子态[来源:查尔斯]．

大多数恒星，包括我们的太阳，都是由等离子体构成的。如果它在宇宙中如此普遍，为什么我们在地球上看不到它呢？事实上，我们有。北极光和南极光是由太阳风产生的。什么是太阳风？血浆好吧，并不是每个人都有幸看到这些壮观的灯光表演，但你们可以在大自然提供的另一场可怕的灯光表演中看到等离子体的活动：雷雨。当闪电中的电流流过空气时，它为其路径中的分子提供了如此多的能量，以至于闪电轨迹中的气体实际上转化为等离子体。

等离子体技术也被用于火箭，帮助我们环绕外层空间，它最有希望将人类带到我们以前只能梦想的地方。这些火箭需要在外太空的真空中工作，因为地球表面的空气密度会降低等离子体中离子的加速度，而等离子体中离子的加速度是产生推力的必要条件，所以我们实际上不能用它们来从地球升空。然而，其中一些等离子体发动机自1971年以来一直在太空中运行。国家航空和航天局通常用于国际空间站和卫星的维护，以及推进深空的主要来源[来源：国家航空和航天局]．

哥斯达黎加宇航员和物理学家富兰克林·张·迪亚兹解释了他的等离子体引擎项目的发展。MAYELA洛佩兹/法新社/盖蒂图片社

所有等离子体火箭操作相同类型的原则:电场和磁场并肩工作,首先将气体-通常氙和氪成等离子体,然后加速等离子体中的离子引擎的超过45000英里(72400公里),创建一个推力的方向需要旅行[来源:科学预警]有很多方法可以应用这个公式来制造一个工作的等离子火箭，但有三种类型是最优秀和最有希望的[来源：沃克]。

霍尔推进器是目前在太空中经常使用的两种等离子体发动机之一。在这种装置中，电场和磁场在腔室中以垂直的方式设置。当电当电子通过这些双场发射时，电子开始以超高速旋转。当推进剂气体被喷射到装置中时，高速电子将电子从气体中的原子上击落，产生由自由电子（带负电荷）和现在带正电荷的电子组成的等离子体原子(离子)推进剂。这些离子从发动机后部喷射出来，产生推动火箭前进所需的推力。虽然离子的电离和加速这两个过程是分步骤进行的，但它们发生在发动机的同一空间内。霍尔推进器可以产生大量的推力用于输入功率，所以它们可以运行得非常快。但它们的燃料效率也有限制。

当NASA在寻找一种更省油的引擎时，它转而使用网格离子发动机．在这种常用的装置中，电场和磁场沿着发动机室的墙壁分布。当施加电能时，高能电子在墙壁附近的磁场中或沿磁场振荡。与霍尔推力器类似，电子能够将推进剂气体电离成等离子体。为了下一步创造推力，在腔室的末端放置了电网，以加速离子流出。在这个引擎中，电离和加速发生在两个不同的空间。虽然网格离子发动机比霍尔推进器更省油，但缺点是它不能产生同样多的单位面积推力。根据他们想要完成的工作类型，科学家和航天工程师会选择更适合任务的发动机。

最后，还有第三种类型的发动机:VASIMR，简称变比脉冲磁等离子体火箭．这枚火箭由前宇航员富兰克林·张·迪亚兹开发，目前仅处于测试阶段。在这个装置中，离子是通过天线产生的无线电波形成等离子体的。另一根更下游的天线增加了能量，使离子以非常快的速度旋转。磁场提供了方向性，使离子以直线的方式从发动机中释放出来，从而提供了推力。如果它成功了，这枚火箭将拥有巨大的节流范围，这是霍尔推进器和离子网格发动机无法轻易实现的。

传统火箭是伟大的，已经让我们走得很远，但它们也有自己的局限性。这些火箭的工作原理也是基于推力:发动机燃烧燃料，产生高压气体，高压气体从火箭喷嘴高速喷出，火箭被推向相反的方向[来源:大脑].然而，火箭燃料非常重，效率极低。它无法提供足够的电力快速到达目的地。火箭燃料在离开地球进入轨道的过程中被烧掉，然后飞船基本上被迫滑行[来源：维霍韦克]．

另一方面，等离子火箭使用的燃料比这些传统发动机少得多——事实上，燃料减少了1亿倍[来源：科学预警]．它非常省油，从地球轨道到月球轨道只需要大约30加仑(113升)的天然气[来源:查尔斯].等离子体火箭逐渐加速，在23天内可达到每秒34英里（55公里）的最高速度，比任何化学火箭快四倍[来源：维霍韦克]．旅行时间的减少意味着飞船遭遇机械故障、宇航员暴露在太阳辐射、骨质疏松和肌肉萎缩的风险降低。使用VASIMR，从理论上讲，推进也将在整个行程中可用，这意味着方向可以在任何时候改变。

现实一点，在这一点上，旅行到火星在短时间内仍然是一个很长的路要走。达到这种极限距离需要大量的能量。大多数霍尔推进器和网格离子发动机运行大约5千瓦的电力。才能达到你需要的能量水平到达火星在40天左右的时间里，你至少需要200倍的时间。在外层空间中，最可行的能源是内置在发动机中的核动力源。然而，在这个时候，如果我们把核动力源放在从地球发射到太空的火箭飞船上，在发生碰撞的情况下，会造成太多的辐射暴露威胁。

因此，达到这些距离的动力源仍然是一个重大挑战。更不用说人体在每秒34英里（54公里）的速度下会如何反应的不确定性（而不是宇航员在常规火箭中以每秒4.7英里或7.5公里的速度到达较低的地球轨道）[来源：维霍韦克，西北大学定性推理小组]．但从理论上讲，只要有足够的动力，这些引擎就有能力在大约40天内到达火星，这在50年前是我们不敢想象的。

最初发布日期:2016年9月29日