Что сделать из ионного двигателя
Что сделать из ионного двигателя
16 февраля 2021 г., AEX.RU – Инженеры из США научились создавать при помощи 3D-принтера небольшие ионные двигатели размером с монету. Такой двигатель развивает тягу около десяти микроньютонов и имеет значительно больший удельный импульс с учетом напряжения, чем аналогичные ионные двигатели. Статья опубликована в Additive Manufacturing. Об этом пишет N+1.
Ионные двигатели создают тягу, ускоряя заряженные частицы рабочего тела при помощи электрического поля. Двигатели такого типа имеют очень небольшую тягу в абсолютном значении и не подходят, к примеру, для выхода на орбиту Земли и, как правило, других планет. Зато они обладают несопоставимо большим удельным импульсом, чем химические двигатели, поэтому если аппарату не требуется набрать скорость быстро, ионный двигатель позволяет сделать то же самое более эффективно.
Среди ионных двигателей есть подкласс коллоидных или электрораспылительных двигателей, в которых в качестве рабочего тела используется ионная жидкость. В них используется массив конусов, на концах которых собирается жидкость и вылетает, ускоряясь в электрическом поле. Эти пластины с конусами создаются путем точного механического вырезания или литографического удаления материала, поэтому они довольно дороги при создании, особенно, если пластина имеет небольшой размер (а значит, ее элементы миниатюрнее и необходима большая точность) и предназначена для установки на CubeSat. Дульсе Виридиана Мело Максимо (Dulce Viridiana Melo Maximoa) и Луис Фернандо Веласкес-Гарсия (Luis Fernando Velasquez-Garciaa) из Массачусетского технологического института научились создавать пластины для электрораспылительных двигателей при помощи 3D-печати.
Электрораспылительные двигатели различаются по конструкции и тому, как именно жидкость подается к месту, в котором она отрывается от пластины. Чаще всего используются полые конусы или цилиндры, внутри которых жидкость подводится к концу. Также есть и другая конструкция, при которой жидкость подводится снаружи и по пористой структуре на поверхности конуса, увеличивающей его смачиваемость, проходит к его концу. Инженеры использовали вторую конструкцию.
Разработанный ими двигатель состоит из двух основных электродов: испускающего и извлекающего, между которыми создается смещающее напряжение, заставляющее частицы ионной жидкости двигаться. Испускающий электрод состоит из резервуара для жидкости (авторы использовали жидкость EMI-BF4), над которым располагается массив из конусов и отверстий между ними. По этим отверстиям жидкость переходит к основанию конусов, на которое методом гидротермального синтеза нанесены наностержни из оксида цинка. Над испускающим электродом установлен извлекающий, в котором над каждым конусом сделано отверстие для выхода ионов жидкости.
Авторы изготовили два варианта испускающего электрода: из немагнитной нержавеющей корозионно стойкой стали и полимера. Стальной электрод они печатали методом струйной печати связующим веществом, а полимерный — методом цифровой обработки света (DLP).
Испытания двигателей на основе этих электродов показали, что они имеют максимальную тягу на один конус 191,3 и 139,9 наноньютона для стального и полимерного электродов соответственно. При этом стальной электрод имеет гораздо меньшее максимальное требуемое напряжение (4,25 против 7 киловольт). Максимальный удельный импульс двигателя составляет 9260 секунд для стального электрода и 12200 для полимерного.
Кроме основных технических характеристик, которые безусловно важны, авторы также обратили внимание, что обычный аппарат для струйной металлической печати стоит около миллиона долларов, тогда как один из лучших и дорогих DLP-принтеров стоит 15 тысяч долларов. Поскольку подобные двигатели целесообразно устанавливать в кубсатах и покетсатах (с длиной ребра пять сантиметров), которые часто используются в небольших проектах, в том числе студенческих, предложенный ими двигатель с полимерным электродом можно рассматривать как оптимальный вариант для таких космических аппаратов.
3D-печать активно применяется при создании жидкостных ракетных двигателей, причем не только в прототипах. Например, на 3D-принтере создается существенная часть двигателей Rutherford, устанавливаемых на ракете-носителе Electron.
Что сделать из ионного двигателя
Василий Ковалев, Санкт-Петербург
Говорят, на грани веков русскими овладевает безумная страсть к разрушению. Охваченные жаждой перемен, русские своими руками дробят свою страну, на несколько десятилетий отбрасывая назад экономику. Куда сегодня движется страна? На этот вопрос нет ответа. Постреволюционной России было отмерено всего 70 лет — это исторический миг, сравнимый с жизнью человека. Для сравнения: династия Романовых правила страной три века, а цивилизация Древнего Египта существовала 40 веков!
В.Н. Комлев, инженер-физик, пенсионер, Апатиты
Цель моих публикаций – инициировать плодотворное обсуждение ситуации вокруг чрезвычайно важного объекта — федерального пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО). Этому могла бы поспособствовать направленная в уважаемый геологический журнал (для рубрики «Гипотезы, сообщения, дискуссии») статья. С публикацией не сложилось, бывает.
Что можно сделать с радиоактивными отходами ядерной энергетики
Август объявлен месяцем экологии. Одной из наиболее сложных экологических проблем считается обращение с радиоактивными материалами. Институт физической химии и электрохимии РАН (ИФХЭ РАН) с самого начала существования атомной отрасли в СССР — в прошлом году ей исполнилось 75 лет — вел исследования, связанные с делящимися материалами.
Бурное развитие возобновляемых источников энергии отодвинуло на задний план внимание к проектам создания термоядерного реактора. Но безуглеродный термояд по-прежнему находит финансирование. Продолжается строительство знакового для термоядерной энергетики международного демонстрационного термоядерного реактора ИТЭР во Франции. Федеральное правительство США выделило 4,7 миллиарда долларов на развитие новой технологии и связанные с ней научные разработки.
Концерн «Росэнергоатом» (входит в «Росатом») застрахует от катастрофических рисков все атомные станции России на два года, сумма страховки составит 2,044 трлн руб. Согласно протоколу на сайте госзакупок, победителем торгов стала компания «Согаз». Она получит страховую премию в размере 3,3 млрд руб.
Г.Ю. Никольский
Физики расходятся в интерпретациях квантовой механики и в мнениях о корпускулярно-волновом дуализме. Характерные названия физических моделей: абсолютно чёрные тела, черные дыры и темная материя говорят об отсутствии ясного представления оприроде материальных объектов. Наука отметает духовное начало и превосходит религию, представляя сотворение мира, как большой взрыв, взяв за основу гипотезу веселого физика.
«Закрываемую Игналинскую атомную электростанцию ожидает самый большой вызов в истории электростанции – демонтаж ядерных реакторов типа РМБК. Физические демонтажные работы активной зоны реактора (R3), которые начнутся в 2027 году, являются уникальным проектом, не имеющим аналогов в мире. Демонтаж двух самых мощных в мире реакторов типа РБМК – первый в мировой практике проект по снятию с эксплуатации такой атомной электростанции».
Б.И.Нигматулин, д.т.н., профессор
24 сентября 1941 лондонское радио сообщило о ноте правительства Англии правительству Финляндии, в которой говорилось о недопустимости для финской армии продвижения за границу 1939 г. на территорию Советского Союза.
Президент России Владимир Путин дал понять, что он определенно хочет, чтобы на финской земле была построена атомная электростанция российского дизайна и частично находящаяся в собственности России. Первоначально предполагалось, что атомная электростанция «Фенновойма» будет производить электроэнергию в 2020 году. Теперь совместное финско-российское предприятие поставило цель запустить ядерный реактор в 2028 году.
Необходимые меры
VII. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРОДНОЙ РЕНТЫ
Необходимо оптимизировать эксплуатацию природных ресурсов, на которых в значительной степени держится экономика России. Для их сохранения будущим поколениям следует принять следующие меры.
Ушёл из жизни Геннадий Петрович Хандорин. «Сибирский славный Хан», как пелось в одной самодеятельной песне, рождённой в Северске.
Д.Л. Подушков, депутат Удомельской городской Думы, фракция КПРФ
Кандидаты в различные органы власти от «Единой России» продолжают злоупотреблять, по моему мнению, административным, информационными и бюджетными ресурсами, нарушают принципы «честных выборов», что В ОЧЕРЕДНОЙ РАЗ обещают россиянам и «гарант Конституции РФ» Президент РФ В.В.Путин, и лидеры партии. ЛИБО соответствующие надзорные органы саботируют указания Президента!
Институт проблем естественных монополий (ИПЕМ) проанализировал итоги работы российской промышленности в июле 2021 года. По оценкам института, в июле продолжается значительный рост производства и спроса на промышленную продукцию, при этом темпы прироста постепенно замедляются. Основными локомотивами роста снова становятся отрасли ТЭК.
Ядерное топливо третьего поколения для ВВЭР-440
На энергоблоке № 4 Кольской АЭС успешно завершился пятый цикл облучения российского ядерного топлива поколения РК-3 для реакторов ВВЭР-440. Телевизионный осмотр облученного топлива с помощью специализированного оборудования показал, что после пяти циклов облучения все сборки РК-3 сохраняют свою изначальную геометрию, и все тепловыделяющие элементы — герметичны: «повреждений и формоизменений элементов рабочих кассет не выявлено».
Необходимые меры
Концепция подготовлена рабочей группой с учетом решений Форума, про веденного в мае 2019 г. Российской академией наук совместно с Вольным эко номическим обществом. Руководили работой академик РАН Р.И.Нигматулин, д.т.н. Б.И.Нигматулин. В рабочей группе работали академики РАН А.Г.Аганбегян, В.И.Осипов, Г.А.Папцов, А.В.Петриков, И.Г.Ушачев, П.А.Чекмарев, члены-кореспонденты РАН А.Р.Бахтизин, В.А.Цветков, д.э.н. Е.Б.Ленчук, д.э.н. В.В.Локосов, д.э.н. С.В.Чернявский, к.ф.-м.н. К.Х.Зоидов, к.э.н. Е.В.Моргунов, к.г.н. Ю.А.Симагин, а также сотрудники неакадемических учреждений: к.т.н. М.Д.Абрамов, д.э.н. В.А.Кашин, д.э.н. В.М.Симчера.
Е.П.Велихов, д.ф.-м.н, профессор, академик РАН; В.Д.Давиденко, д.т.н; В.Ф.Цибульский, д.т.н. НИЦ «Курчатовский институт»
В статье рассматривается вопрос развития ядерной энергетической системы в текущем столетии. Значимость этого вопроса как для перспективы, так и для выбора способов решения текущих энергетических задач высока, что в большой степени обусловлено нарастающими ограничениями экологического характера.
В.Путин: Алексей Евгеньевич, компания «Росатом» относится к числу наиболее крупных компаний России, многопрофильных, в неё входят 350 организаций и 300 тысяч работающих. Как Вы оцениваете ситуацию в компании?
В.Н. Комлев, инженер-физик, пенсионер, Апатиты
Настоящая статья, как оценочное профессиональное суждение автора для попытки понимания долговременного будущего, посвящена анализу опубликованной в открытых источниках информации по теме захоронения особо опасных радиоактивных отходов (РАО) в России. Хоронить РАО, безусловно, нужно. Но где и как?
Владимир Долгих, ветеран атомной энергетики и промышленности, журналист
Было время, когда в обществе сформировалось мнение, что для депутата как муниципального, так и федерального уровня, необходим диплом юриста или экономиста. А лучше оба сразу! Если, конечно, он намерен быть парламентарием полноценным. Но познакомившись с ответом за подписью исполняющей обязанности прокурора Северска госпожи Блинниковой, направленным в адрес депутата тамошней думы Владимира Петрова, понимаешь – двух будет маловато. Нужен ещё один – филолога.
Часть 1
Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов
Разработан атмосферный ионный двигатель, позволяющий создавать летательные аппараты, не имеющие движущихся частей
Группе исследователей и инженеров из Массачусетского технологического института удалось сделать то, что достаточно долгое время считалось невозможным — поднять и удержать в воздухе летательный аппарат, который не использует ни одной движущейся детали для создания подъемной силы. Этот аппарат, весящий всего 2.3 килограмма и имеющий размах крыльев около 5 метров, весьма похож на модель планера, к которой снизу прикреплена необычная конструкция. Эта конструкция является атмосферным ионным двигателем, создающим бесшумный поток ионизированного воздуха, за счет которого летательный аппарат способен пролетать дистанцию в 60 метров. И это ограничение наложено не возможностями ионного двигателя или источника энергии, такую длину имеет помещение спортивного центра, внутри которого производились испытания.
Принцип, который использовали в ионном двигателе специалисты Массачусетского технологического института, называется электроаэродинамикой и он был открыт в 1920-х годах известным летчиком и конструктором Александром Северским (Major Alexander de Seversky). Идея заключается в создании сетки из тонких проводов или полосок фольги, одна из сеток выполняет роль положительного, а вторая — отрицательного электрода. Электрический потенциал на этих электродах отделяет электроны от молекул воздуха, которые начинают перемещаться в сторону отрицательного электрода. Столкновения с другими нейтральными молекулами воздуха порождают поток воздуха, который способен создавать слабую силу тяги, которую, тем не менее, уже можно измерить.
Проблема электроаэродинамики заключается в том, что созданные на ее основе устройства имели до последнего времени большие размеры, которые исключали возможности их практического применения. Из-за этого круг таких устройств был мал и ограничивался, в основном, ионными воздухоочистительными системами.
Прорыв в деле создания атмосферного ионного двигателя стал возможным благодаря работе профессора Стивена Барретта (Steven Barrett), который посвятил этому направлению около 9 лет. Результатом этой работы стал достаточно высокоэффективный ионный двигатель, состоящий из проводников различной толщины, что делает его похожим на какую-то экзотическую радиоантенну. Эти проводники действуют как отдельные электроды, а чередование положительных и отрицательных электродов в особой последовательности и позволило увеличить эффективность двигателя в целом.
Источником энергии ионного двигателя является небольшая литий-полимерная аккумуляторная батарея, расположенная в «фюзеляже» летательного аппарата. А специализированная высоковольтная электронная система, разработанная и созданная специалистами группы Power Electronics Research Group, позволяет получить электрический потенциал в 40 тысяч вольт, который и подается на электроды ионного двигателя.
Как можно убедиться, конструкция атмосферного ионного двигателя весьма примитивна, но этот двигатель позволяет летательному аппарату действительно лететь, а не планировать, постоянно скользя вниз по потокам воздуха.
«Так как атмосферный ионный двигатель работает исключительно на электричестве и не нуждается в топливе, он может быть использован для обеспечения полета стратосферных летательных аппаратов, поднимающихся практически к границе с космосом» — рассказывает профессор Барретт, — «Кроме этого, такой двигатель может стать источником дополнительной тяги для летательных аппаратов, использующих более традиционные технологии».
Исследователи признают, что практические летательные аппараты, использующие подобные ионные двигатели, появятся еще не очень скоро. Тем не менее, эффективность и экологическая чистота такого двигателя заставляют ученых продолжать работы в данном направлении. И в ближайшем будущем исследователи планируют увеличить эффективность при помощи технологий увеличения площади электродов, которые не требуют значительного увеличения размеров и веса двигателя.
Новая космическая станция Китая будет оснащена ионной силовой установкой
Эта технология может сократить время полета на Марс с восьми месяцев до 39 дней.
Первый модуль будущей китайской космической станции Tiangong будет оснащен ионной силовой установкой, которая значительно повысит энергоэффективность и может сократить время полета на Марс, сообщает South China Morning Post (SCMP).
Такие двигатели используются с 1970-х годов; однако основной модуль Tiangong должен стать первым пилотируемым космическим кораблем, приводимым в движение ионными двигателями. Китай делает большую ставку на ионные двигатели и намеревается разрабатывать их в гораздо большем масштабе для своих миссий в дальний космос .
Основной модуль космической станции, который примет первых космонавтов в конце этого месяца, если все пойдет по плану, приводится в движение четырьмя ионными двигателями, которые используют электричество для ускорения ионов в качестве двигателя.
По сравнению с химическим двигателем, который удерживает Международную космическую станцию (МКС) на орбите, ионные двигатели намного эффективнее. По данным Китайской академии наук, двигателям МКС требуется четыре тонны ракетного топлива, чтобы поддерживать ее на орбите в течение года, тогда как ионным двигателям требуется всего 882 фунта (400 кг), чтобы сделать то же самое.
Сегодняшние ракетные технологии позволят экипажу подняться на борт космического корабля, достаточно большого, чтобы доставить топливо и другие материалы на Марс более чем за восемь месяцев. Однако, согласно некоторым расчетам исследователей, транспортное средство, оснащенное системой ионного привода мощностью 200 мегаватт, может сократить время в пути до 39 дней, что позволит миссии использовать суда меньшего размера или перевозить больше припасов.
На бумаге это звучит хорошо, но реализация была не лучшей из-за недостаточной тяги. Большинство ионных двигателей, развернутых в космосе, в основном на спутниках , вырабатывают примерно 1 киловатт энергии, пишет SCMP, но цель Китая гораздо более амбициозная.
Как работает ионный двигатель?
Ионный двигатель малой тяги генерирует тягу, ускоряя ионы с помощью электричества: он ионизирует нейтральный газ, удаляя некоторые электроны из атомов, создавая облако положительных ионов. При срабатывании ионный двигатель испускает синие пары, которые создаются невероятно горячими электрически заряженными частицами, покидающими двигатель со скоростью, в 30 раз превышающей скорость звука.
Эти заряженные частицы могут разрушать компоненты двигателя, сокращая срок службы спутника и, возможно, подвергая опасности космонавтов. Причем тяга обычно довольно низкая. Однако Китайская академия наук заявляет, что они нашли способ заставить это работать .
Китайские ученые подвергли двигатели строгим испытаниям, чтобы убедиться, что двигатели могут противостоять повреждениям, вызванным частицами. Поместив магнитное поле на внутреннюю стенку двигателя для отражения повреждающих частиц, они смогли защитить двигатель от эрозии. Они также разработали уникальный керамический материал, способный выдерживать сильное нагревание или излучение в течение длительного периода времени.
Сообщается, что их ионный двигатель безостановочно работает без перебоев более 11 месяцев.
Поскольку космические программы во всем мире становятся все более амбициозными, будет интересно посмотреть, можно ли использовать ионные двигатели так, как никогда раньше.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
