Современные космические технологии продолжают эволюционировать. Ученые из Университета Южной Калифорнии провели исследование с помощью мощного суперкомпьютера, которое может значительно повысить эффективность и безопасность электрических космических аппаратов.
Электрические двигатели, использующие ионную тягу, начали активно применяться в космических полетах с конца 1990-х годов. Первые прототипы, такие как Deep Space 1 от NASA и SMART-1 от Европейского космического агентства, продемонстрировали преимущества этой технологии. В отличие от традиционных химических ракет, которые быстро расходуют топливо и создают мощные, но кратковременные выбросы, электрические двигатели обеспечивают более экономичный расход ресурсов. Они медленно, но верно наращивают импульс, используя ионизированный газ, например, ксенон или криптон.
Процесс работы ионного двигателя основан на эффекте Холла, который создает электрическое поле, ускоряющее ионы. Эти ионы выбрасываются из двигателя, создавая тягу. Несмотря на свою эффективность, электрическая тяга не лишена недостатков. Одной из серьезных проблем является то, что выхлоп может негативно сказываться на самом космическом аппарате. Электроны, выбрасываемые вместе с ионами, могут возвращаться к аппарату и повреждать его компоненты, такие как солнечные батареи и антенны.
Ученые Чэнь Цуй и Джозеф Ван решили разобраться с этой проблемой. Они провели моделирование, которое позволило изучить термодинамическое поведение электронов в шлейфе ионного двигателя. Результаты показали, что поведение электронов зависит от их температуры и скорости. Внутри пучка электроны движутся быстрее и имеют более высокую температуру, в то время как электроны, находящиеся на периферии, остывают быстрее и могут рассеиваться, что потенциально угрожает целостности космического аппарата.
Цуй описывает электроны как «шарики, упакованные в трубку». Он объясняет, что электроны в центре пучка сохраняют стабильную температуру, тогда как электроны на краях остывают и замедляются. Это открытие может стать ключом к разработке эффективных методов защиты космических аппаратов от негативного воздействия их собственных выхлопов.
Долгосрочные космические миссии требуют надежных и стабильных двигателей. Исследования показывают, что для успешного выполнения таких задач необходимо учитывать поведение электронов в шлейфе.