Теоретический ракетный двигатель на основе ускорения частиц плазменными ударными волнами

Обратите внимание, что,

1. Прирост энергии за цикл составляет$\Delta E\propto\beta_s$с$\beta_s=v_s/c$где$v_s$это скорость удара.
2. Срок для ускорения составляет$t_\text{acc}\propto\kappa/\beta_s^2$где$\kappa$– коэффициент диффузии.
3. Временная шкала для побега ¹ составляет$t_\text{esc}\propto t_\text{acc}\beta_s$

Основным источником галактических космических лучей являются остатки сверхновых (SNR), которые являются массивными (масштабы длины парсека и$\sim10^{51}$эрг энергетические масштабы), быстро ($\beta_s\sim0.01$) и старые (> 10 тыс. лет). На этих участках шкала времени ускорения составляет примерно месяц, а шкала времени выхода — от сотен до тысяч лет (следовательно, источники SNR устарели ) .

Итак, поскольку мы не знаем способа создать и удержать движущуюся ударную волну, а также мы не можем ждать времени, необходимого для ускорения частицы до выхода из ускорителя, это совершенно непрактично.

^{1. Как только частица набирает достаточную энергию, так что ее гирорадиус превышает ларморовский радиус ускорителя, она не может быть повторно ускорена и улетает; ср. этот комментарий .}

Просто чтобы добавить к ответу Кайла, теперь считается, что диффузионное ударное ускорение (DSA) является результатом самогенерируемых электромагнитных волн/флуктуаций/структур [например, см. Turner et al. , 2018 ; Уилсон и др. , 2016 ]. Результатом этого является то, что длины волн/размеры результирующих электромагнитных волн/флуктуаций/структур имеют тенденцию к увеличению по мере увеличения энергии ускоренных частиц (например, см. обсуждение на https://physics.stackexchange.com/a/618127) . /59023 ). Начальные масштабные размеры в типичной космической плазме уже достаточно велики., намного меньше в лабораторной плазме, где все масштабы намного меньше. Даже в этом случае размеры масштаба быстро превысят размеры физического контейнера, в котором вы пытаетесь генерировать такие высокоэнергетические частицы.

В настоящее время лучшим методом искусственного создания бесстолкновительной ударной волны является лазерная абляция [например, см. Heuer et al. , 2020 ]. Это, как правило, требует тонны мощности / энергии для генерации лазерных импульсов, необходимых для абляции достаточного количества материала для создания шока. В лабораторных условиях удары не имеют чрезвычайно высокого числа Маха , как у остатка сверхновой (SNR) . Как правило, как указывает Кайл, высокие числа Маха имеют тенденцию генерировать частицы с более высокой энергией.

Как рассчитать силу сопротивления для двигателя, который, допустим, выбрасывает газ со скоростью 99% скорости света? И сколько массы нужно в таком случае выбросить, чтобы можно было запустить ракету на орбиту?

Основываясь на том, сколько энергии необходимо для создания ударной волны без столкновений, это не пусковой механизм, поскольку вход для простого инициирования удара больше, чем любой сфокусированный выход. Кроме того, огромные батареи конденсаторов, необходимые для запуска импульсного лазера, были бы неприлично тяжелыми, что также не давало бы старта (т. е. больше массы = больше денег и меньше вариантов траекторий запуска).

Наконец, любой удар лазерной абляции «ударит по стенкам» камеры до того, как у частиц будет достаточно времени, чтобы получить энергию, достаточную для выполнения чего-либо полезного, например, для ускорения космического корабля. Есть гораздо более эффективные варианты, такие как ионные двигатели , которые уже доступны и использовались в таких миссиях, как «Рассвет» .