Может ли кинетическая энергия солнечного ветра питать ионную двигательную установку межпланетного космического корабля?

Мне интересно, может ли кинетическая энергия солнечного ветра наполнить энергией тяжелые ионы до такой степени, что они создадут достаточно импульса, чтобы привести в движение межпланетный космический корабль.

Чтобы проиллюстрировать, как может работать эта система на основе ионов, я создал следующий концептуальный рисунок:

введите описание изображения здесь

На этом чертеже показана длинная труба (длиной 1 км), которая соединена с двумя дополнительными трубами (неуказанной длины) через Y-образный фитинг. Все три трубы имеют диаметр 3 фута. Основная труба открыта с одного конца, и этот конец будет направлен прямо на Солнце, чтобы солнечный ветер продолжал течь в длинную трубу. Две другие трубы открыты в месте соединения Y-образной трубы и загерметизированы на других концах.

В идеале тяжелые ионы, необходимые для этой системы, можно было бы получить, используя два блока льда (воды). Можно использовать механическое устройство для вставки куска льда в каждую трубу, который будет помещен обратно к закрытому концу каждой трубы.

Я считаю, что тогда должно произойти то, что элементы с высокой скоростью, движущиеся в солнечном ветре, рикошетят от наклонной поверхности Y-образного фитинга и затем войдут в две трубы. Эти элементы будут сталкиваться со льдом, нагревая его и заставляя крошечные кусочки льда отрываться от него. Эти крошечные кусочки льда будут пробиваться к месту соединения Y-образной трубы.

Как только эти крошечные кусочки льда попадут навстречу солнечному ветру, они будут разбиты на ионы водорода и атомы кислорода, а затем солнечный ветер подтолкнет эти два элемента обратно к наклонной поверхности Y-образной трубы, о которую они будут отскакивать. и в две трубы.

Солнечный ветер должен передать кинетическую энергию и импульс этим ионам водорода и атомам кислорода, и когда эти два элемента столкнутся с глыбой льда, они передадут полученный импульс льду и, таким образом, трубе, удерживающей лед, и, таким образом, к космическому кораблю, заставляя его продвигаться вперед. Все нагретые, рикошетирующие ионы внутри двух труб будут продолжать заставлять ионы водорода и атомы кислорода продолжать подпрыгивать, и в конечном итоге они вернутся в область соединения Y-образной трубы, и процесс передачи кинетической энергии / импульса будет повторяться.

Я не верю, что какие-либо ионы водорода или атомы кислорода могут пройти весь путь вниз по трубе длиной 1 км и выйти в открытый космос, потому что солнечный ветер, текущий в трубе, должен замедлить их до остановки, а затем изменить их направление обратно к место соединения Y-образной трубы. Это было бы идеально, потому что топливо (лед) не терялось бы.

(Примечание: я действительно понятия не имею, какой длины должна быть труба, чтобы ионы воды не просачивались в космос, я просто думаю, что 1 километр будет хорошей длиной. должны быть другие трубы.)

Может ли кинетическая энергия солнечного ветра питать ионную двигательную установку межпланетного космического корабля?

РЕДАКТИРОВАТЬ

Альтернативным средством создания тяги было бы размещение куска льда рядом с открытым концом длинной трубы, и, поскольку воздействие солнечного ветра заставляет лед сублимировать в облако ионов водорода и атомов кислорода, солнечный ветер затем ускоряйте их вниз по трубе, и затем они отскакивают от наклонной поверхности Y-образного соединения труб, передавая кинетическую энергию/импульс космическому кораблю.

Возможно, стоит заглянуть на en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail#Electric_solar_wind_sail и особенно на ту часть, что солнечный ветер на три порядка меньше по силе, чем радиационное давление. Эта конструкция может работать с точки зрения улавливания солнечного ветра, но будет гораздо менее эффективной (тяжелее и не использует свет), чем классический парус. Подозреваю, что длина трубы в конечном итоге будет намного больше, чем 1 км, чтобы давление солнечного ветра преодолело давление газа от испаряющегося льда.

Ответы (1)

Будет ли этот двигатель создавать тягу? Да, но не так, как вы себе представляете. Лед в вакууме сублимируется в пар, который создает небольшое давление (порядка нескольких паскалей, чего едва хватает даже для измерения). Когда пар уходит по трубе в космос, он создает небольшую тягу в противоположном направлении. Тот факт, что солнце светит на двигатель, будет выделять некоторое количество тепла, которое ускоряет сублимацию и увеличивает тягу.

Теперь даже этот крошечный толчок может быть полезен. Зонды дальнего действия могут использовать крошечные, но непрерывные толчки, чтобы управлять собой, и таким образом они могут развивать большую скорость. Однако есть гораздо более эффективные способы создания такой тяги, чем подъем тонн за тоннами льда, которые потребуются такому зонду.

Давление солнечного ветра настолько маленькое (согласно Википедии, в среднем 1-6 наноПаскалей на 1 а.е.), что оно не окажет большого влияния на работу этого двигателя. Кроме того, количество передаваемой энергии было бы таким же, как если бы это была простая плоская пластина того же размера, что и поперечное сечение двигателя.

это интересный анализ этой идеи. Я думаю, что эта система была бы наиболее эффективной, если бы космический корабль стартовал с позиции 0,5 а.е., потому что плотность частиц солнечного ветра там была бы выше.
@ user255577 Это правда, но даже на таком расстоянии световое давление будет составлять всего 4-36 наноПаскалей, что примерно в 1 000 000 000 раз меньше, чем давление, создаваемое обычным сублимирующим льдом.