Un nuovo tipo di propulsore a razzo che potrebbe portare l'umanità su Marte e oltre è stato proposto da un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Il dispositivo applicherebbe campi magnetici per causare particelle di plasma, gas caricato elettricamente noto anche come quarto stato della materia, sparare il dorso di un razzo e, a causa della conservazione della quantità di moto, spingere l'imbarcazione in avanti. Gli attuali propulsori al plasma collaudati nello spazio utilizzano campi elettrici per spingere le particelle.

Il nuovo concetto accelererebbe le particelle usando la riconnessione magnetica, un processo che si trova in tutto l'universo, compresa la superficie del sole, in cui convergono le linee del campo magnetico, improvvisamente separato, e poi riunirsi di nuovo, producendo molta energia. La riconnessione avviene anche all'interno di dispositivi di fusione a forma di ciambella noti come tokamak.

"Ho cucinato questo concetto per un po', " ha affermato Fatima Ebrahimi, Principal Research Physicist del PPPL, l'inventore del concetto e autore di un documento che descrive in dettaglio l'idea nel Journal of Plasma Physics . "Ho avuto l'idea nel 2017 mentre ero seduto su un ponte e pensavo alle somiglianze tra lo scarico di un'auto e le particelle di scarico ad alta velocità create dal National Spherical Torus Experiment (NSTX) di PPPL. " il precursore dell'attuale impianto di fusione di punta del laboratorio. "Durante il suo funzionamento, questo tokamak produce bolle magnetiche chiamate plasmoidi che si muovono a circa 20 chilometri al secondo, che mi è sembrato molto simile a una spinta."

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che rappresenta il 99% dell'universo visibile, per generare enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Gli attuali propulsori al plasma che utilizzano campi elettrici per spingere le particelle possono produrre solo un basso impulso specifico, o velocità. Ma le simulazioni al computer eseguite su computer PPPL e il National Energy Research Scientific Computing Center, un DOE Office of Science User Facility presso il Lawrence Berkeley National Laboratory a Berkeley, California, ha dimostrato che il nuovo concetto di propulsore al plasma può generare gas di scarico con velocità di centinaia di chilometri al secondo, 10 volte più veloci di quelli di altri propulsori.

Quella velocità più veloce all'inizio del viaggio di un'astronave potrebbe portare i pianeti esterni alla portata degli astronauti, disse Ebrahimi. "I viaggi a lunga distanza richiedono mesi o anni perché l'impulso specifico dei motori a razzo chimici è molto basso, quindi l'imbarcazione impiega un po' di tempo per prendere velocità, " disse. "Ma se realizziamo propulsori basati sulla riconnessione magnetica, quindi potremmo plausibilmente completare missioni a lunga distanza in un periodo di tempo più breve."

Ci sono tre differenze principali tra il concetto di propulsore di Ebrahimi e altri dispositivi. Il primo è che la modifica della forza dei campi magnetici può aumentare o diminuire la quantità di spinta. "Utilizzando più elettromagneti e più campi magnetici, puoi in effetti girare una manopola per mettere a punto la velocità, " disse Ebrahimi.

Secondo, il nuovo propulsore produce movimento espellendo sia particelle di plasma che bolle magnetiche note come plasmoidi. I plasmoidi aggiungono potenza alla propulsione e nessun altro concetto di propulsore li incorpora.

Terzo, a differenza degli attuali concetti di propulsore che si basano su campi elettrici, i campi magnetici nel concetto di Ebrahimi consentono al plasma all'interno del propulsore di essere costituito da atomi pesanti o leggeri. Questa flessibilità consente agli scienziati di adattare la quantità di spinta per una particolare missione. "Mentre altri propulsori richiedono gas pesante, fatto di atomi come lo xeno, in questo concetto puoi usare qualsiasi tipo di gas tu voglia, " Ha detto Ebrahimi. Gli scienziati potrebbero preferire il gas leggero in alcuni casi perché gli atomi più piccoli possono muoversi più rapidamente.

Questo concetto amplia il portafoglio di ricerca sulla propulsione spaziale di PPPL. Altri progetti includono l'esperimento Hall Thruster che è stato avviato nel 1999 dai fisici PPPL Yevgeny Raitses e Nathaniel Fisch per studiare l'uso delle particelle di plasma per lo spostamento dei veicoli spaziali. Raitses e gli studenti stanno anche studiando l'uso di minuscoli propulsori Hall per dare ai piccoli satelliti chiamati CubeSats una maggiore manovrabilità mentre orbitano attorno alla Terra.

Ebrahimi ha sottolineato che il suo concetto di propulsore deriva direttamente dalla sua ricerca sull'energia di fusione. "Questo lavoro è stato ispirato dal passato lavoro di fusione e questa è la prima volta che i plasmoidi e la riconnessione sono stati proposti per la propulsione spaziale, " Disse Ebrahimi. "Il prossimo passo è costruire un prototipo!"