В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Российские плазматроныы

Ю.И.Бельченко. Плазменные технологии (курс лекций)

МГД-генераторы В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

устройства, в которых плазменный поток движется поперёк магнитного поля, за счёт эффекта Холла вырабатывается электрический ток

•в принципе к.п.д. получается выше, чем по циклу Карно

•требуется легкоионизируемая присадка;

•есть проблема со стойкостью электродов;

•применения в энергетике пока не получаются, несмотря на высокий к.п.д.;

•используется в генераторах сверхмощных импульсов тока (геофизика и др.)

B

МГД-генераторы (2)В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

МГД-электростанция У-25

25 МВт, ИВТАН, 1971

природный газ + добавка K2CO3 температура рабочего тела 3000 К проблема: низкий ресурс электродов

http://content.foto.mail.ru/mail/zoubkovn/_answers/i-573.jpg

МГД-генератор «Памир-2»

станция РАН на Северном Тянь-Шане автомобильное базирование

http://tainy.net/wp-content/uploads/2011/04/4034921.jpg

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Кильватерноеускорение частицстиц

Ускорение элементарных частиц в плазме может позволить продвижение вверх по энергии при разумных размерах ускорителей. Ограничение для классических схем обычно в районе E ~ 1 МВ/см.

Идея кильватерного ускорения

Er

Ez

Пространственный заряд релятивистского сгустка смещает плазменные электроны, а тяжелые неподвижные ионы создают возвращающую силу. В результате возбуждается ленгмюровская волна большой амплитуды (в плазме плотности ne ~ 1015 см-3 можно генерировать электрическое поле Ez ~ 3 ГВ/м).

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Кильватерноеускорение ▪ пучокчок ее--

Структура импульса

●

Размер и спектр электронов сгустка

	SLAC	42 ГэВ 84 ГэВ на длине 82 см!
		плазма: Li при n	e	= 2.7·1017	см-3
	I. Blumenfeld, et al., Nature, Vol. 445, p. 741 (2007)

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Кильватерноеускорение ▪ лазеразер

Схема установки

●

Спектр электронов на выходе

LNBL

Ti:сапфир лазер, 810 нм, 40 фс, 40 ТВт, 10 Гц. Плазма: капилляр 33 мм, водород, ne = (1÷4)·1018 см-3

W. P. LEEMANS, et al., Nature physics, Vol. 2, p. 696 (2006)

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Двигателидлякосмоса

Почему плазменные двигатели?

Формула Циолковского: M=M0 exp(- V/u0)

M - конечная масса ракеты (полезная) M0 - стартовая масса

V - полное изменение скорости экспедиции

u0 - скорость истечения рабочего тела в двигателе

Пример: полет на Луну: V = 23 км/с,

Для экспедиции Сатурн-Аполлон: u0 = 4 км/с, М = 5 т, М0 = 2900 т

Максимальная скорость истечения газа для двигателя на О2+Н2: u0 = 4,5 км/сек

Для каждой экспедиции существует оптимальная скорость газа, при которой расход массы минимальный

Экспедиция на Марс: крейсерская мощность – 10 МВт, тяга – 100 Н, полное изменение скорости за полёт ~ 100 км/с

Обычное электростатическое ускорение: ограничение мощности «законом 3/2»

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Принципработы: отавтора дляля НГУНГУ

А.И.Морозов для студентов НГУ

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Принципработыплазменного двигателявигателя

+ -

катод

Xe

				U ~ Va
Электроны замагничены, а ионы - нет

Электроны: движение в скрещенных полях, большой ток, ионизация газа Ионы: ускорение поперёк магнитного поля, внешний нейтрализатор потока

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Образецплазменного двигателятеля

Стационарный плазменный двигатель СПД-100, предназначен для корректировки орбиты космических аппаратов типа "Экспресс-АМ", "Галс" и др.

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Огневыеиспытаниядвигателей СПДСПД--100100

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Двигатель VASIMR (США) – на МарсМарс!!

Ad Astra Rocket Company Директор: бывший астронавт Dr. Franklin Chang-Diaz

Основная идея: использование техники плазменного эксперимента для создания двигателя, в котором скорость истечения рабочего тела может изменяться в широких пределах: от 30 до 300 км/с (выбор режима: тяга или расход топлива)

магнитное сопло ИЦР нагрев плазмы

сверхпроводящий соленоид

ионизация (ВЧ антенна)

подвод газа

	W ≈	dm		V 2	≤Wmax ; F =	dp	≈	dm	V0
		dt		0		dt		dt
				2

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Статусработпо VASIMR

Компания основана в июне 2005 г. в ходе приватизации Лаборатории новых космических двигателей Исследовательского центра Эймс НАСА.

Правительство передало право на использование патентов НАСА.

Октябрь 2009: работа на 200 кВт.

2013: сооружение прототипа лётного образца двигателя

>2015: испытание в космосе (МКС)

… а потом летим на Марс! ☺

http://1.bp.blogspot.com/-8-SkbvTmsZg/UgjhVhDiqCI/AAAAAAAAEi0/2KlUY2Xrdto/s1600/Franklin+Chang-Diaz.jpg

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 15

Конецтемы

Плазменные технологии. Области использования плазменных технологий. Плазменные дисплеи. Имплантация ионов. Плазменное травление. Технология покрытий. Плазма в физике и медицине. Плазменные двигатели для космоса.

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

Новаятема 16

Плазмавкосмосе

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

Изчегосостоит Вселеннаяя??

Представления о составе Вселенной со временем изменяются. Картинка соответствует пониманию 2013 года.

Чудеса в науке иногда происходят.

Из чего состоит Вселенная (по результатам наблюдений WMAP и др.)

http://ru.wikipedia.org/

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

ЭволюцияВселенной

http://www.modcos.com/images/articles/den/2011/11/011.jpg

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

Измерениерасстоянийв астрономииономии

Межзвёздные и межгалактические расстояния измеряются несколькими способами, каждый из которых имеет свой диапазон применимости, свою точность и своё физическое обоснование. Всего есть ~15 методик.

1 световой год = 3·1010 см/с × 3·107 с ≈ 1018 см = 1013 км 1 парсек (параллакс равен 1 угловой секунде) = 3.26 св. года

способ	расстояние
измерение параллакса	до ~1 кпк Hipparcos
«стандартные свечи» (цефеиды, RR Лиры)	до ~1 Мпк
сверхновые тип Ia	до ~500 Мпк
эллиптические галактики	до ~3 Гпк
«красное смещение»	более далёкие

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

Чтотакое «тёмная материяя»»??

Астрономические наблюдения галактик в течение долгого времени давали парадокс: для объяснения гравитационного поля галактик наблюдаемого обычного вещества (звёзды, межзвёздные пыль и газ) недостаточно!

Есть и несколько других экспериментальных свидетельств.

Кривые вращения галактик: зависимость скорости от радиуса

http://www.modcos.com/images/articles/den/04012010_2.JPG

Вывод: есть большая скрытая масса = тёмная материя. Природа тёмной материи неизвестна, гипотез много.

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 16

РасширениеВселеннойизакон ХабблаХаббла

Э. Хаббл (1927): далёкие галактики удаляются от наблюдателя, скорость удаления линейно зависит от расстояния:

	http://images.astronet.ru/pubd/2002/05/14/0001176797/10lec/hubble_diag.gif
V ~ H·r	H = 2,3·10−18 с−1 = 70,4±1,3 (км/с)/Мпк - постоянная Хаббла
	(формула применима для V << c)

время жизни Вселенной: τ = 1/H = 4,38·1017 с = 13,9·109 лет