Магнитно-плазменный парашют позволит космическим аппаратам мягко садиться на поверхность планет, имеющих атмосферу
"Парашюты", состоящие из плазмы, заключенной в ловушку магнитного поля, в недалеком будущем смогут обеспечить мягкое приземление космических аппаратов на поверхность планет, имеющих атмосферу. Это станет возможным благодаря работе двух частных космических компаний, заключивших контракты с НАСА, которые должны создать и продемонстрировать работу технологии магнитно-плазменного торможения (magnetoshell aerocapture), технологию создания вокруг космического аппарата магнитного щита, родственного щиту, создаваемому магнитосферой Земли и защищающему нашу планету от космического излучения. Если технология плазменного торможения окажется работоспособной и ее испытания завершатся успехом, то в скором времени начнется разработка систем торможения, способных обеспечить доставку тяжелых грузов на поверхности Марса и возврат космических аппаратов с орбиты на Землю.
Когда космический аппарат входит в плотные слои атмосферы планеты на большой скорости, он буквально врезается в молекулы воздуха, что становится причиной возникновения высокой температуры и создания плазменной оболочки вокруг аппарата. Этому высокотемпературному воздействию подвергаются как сам космический аппарат, так и элементы тормозных систем, которые должны быть оснащены высокотемпературной защитой. И чем больше вес аппарата, тем более остро встает проблема его торможения и защиты от высокой температуры.
Для крупных спускаемых аппаратов специалисты НАСА разработали новые технологии торможения и тепловой защиты, как недавно испытанный надувной щит Low Density Supersonic Decelerator (LDSD), прозванный "летающей тарелкой". "Но технология магнитно-плазменного торможения - это одна из самых революционных идей нынешнего времени" - рассказывает Мишель Мюнк из Управления НАСА по космической технике для новых миссий, - "Эта технология не только позволит замедлить скорость спуска космического аппарата, но и одновременно обеспечит качественную тепловую защиту".
В работы по созданию технологии магнитно-плазменного торможения вовлечена компания MSNW из Редмонда, которая получила в прошлом месяце грант от НАСА. Эта компания должна рассчитать и изготовить элементы микроспутника класса CubeSat, оборудованного собственным генератором магнитного поля. Этот кубический миниатюрный спутник будет доставлен на борт Международной космической станции в 2015 году, после чего он будет запущен в строну Земли, где он предпримет попытку войти в плотные слои атмосферы и не сгореть при этом. Внутри спутника будет находиться катушка из медного провода, которую будет питать батарея литий-ионных аккумуляторов. Эта катушка создаст вокруг спутника магнитное поле, которое поймает в свою ловушку плазму, образующуюся при входе спутника в атмосферу. Плазменная оболочка выступит в роли защитного пузыря, который будет отталкивать молекулы воздуха, препятствуя дальнейшему нагреванию и оказывая тормозящее воздействие на спутник.
Собственно спутник CubeSat будет изготовлен специалистами второй компании, компании Altius Space Machines из Луисвилла. Но, согласно условиям контракта с НАСА эта компания должна будет еще выполнить работы по изготовлению большой защитной катушки, диаметром около 5 метров, которая может быть использована для создания плазменного щита вокруг космических аппаратов большого размера, включая и аппараты с людьми на борту, которые будут совершать посадку на поверхность Марса или возвращаться из космоса на Землю.
Естественно, подобные технологии требуют весьма значительных энергетических затрат, которые находятся за пределами возможностей современных аккумуляторных батарей. Тем не менее, специалисты НАСА считают, что в любом случае эта "овчинка стоит выделки", ведь при помощи технологии магнитно-плазменного торможения можно будет не только опускать на поверхность спускаемые модули и космические корабли. С ее помощью можно будет эффективно возвращать неповрежденными отработавшие свое ступени ракет-носителей, превращая их в узлы многократного использования.
Создан наноразмерный охлаждающий элемент, работающий за счет движения спин-волн в изоляционном материале
Основой принципа функционирования нового охлаждающего элемента является спин, вращение электронов, фундаментальная характеристика электрона, определяющая значение его магнитного момента, силы и направление создаваемого им магнитного поля. И хотя ученым уже удавалось создавать охлаждающие спиновые элементы, данный случай является первым разом, когда спин-эффект был успешно использован по отношению к материалам, являющимся электрическими изоляторами.
Работа охлаждающего элемента, разработанного учеными в предыдущих исследованиях, стоит на движении потока электронов через токопроводящий магнитный материал. В магнитном поле материала спин электронов выравнивается параллельно направлению намагниченности материала. Поток электронов двигался через "столб", толщина которого в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса, состоящий из двух слоев разных магнитных материалов, разделенных тонким слоем диэлектрического материала, который преодолевался за счет эффекта квантового туннелирования.
Электрон, двигаясь по нижнему слою, выравнивает свой спин в соответствии с направлением намагниченности материала. Если после перехода через слой диэлектрика электрон попадает в магнитный материал с направлением намагниченности, совпадающим с направлением намагниченности нижнего слоя, то спин электрона не изменяется и он беспрепятственно переносит тепловую энергию дальше. Если электрон сталкивается с магнитным полем обратного направления, он меняет свой спин и это приводит к полной блокировке переноса тепловой энергии.
Вышеописанный способ работает только с токопроводящими материалами. Однако, исследователи нашли новый способ охлаждения, который осуществляет перенос тепла через изоляционный материал за счет спин-волн, возникающих на границе токопроводящего и изоляционного материалов.
В своих экспериментах исследователи использовали кристалл железоиттриевого граната, толщиной в 200 нанометров, имеющий на своих концах напыление из платины. Электроны легко проходят через платину, но когда они достигают граната, они затормаживаются, передавая свой спин электронам изоляционного материала. Благодаря эффекту магнитного сцепления этот спин передается все дальше и дальше, распространяясь внутри изоляционного материала подобно волне, переносящей некоторое количество тепловой энергии от одной границы материала к другой. Благодаря этому явлению дна грань изоляционного материала охлаждается, а вторая - нагревается.
Для подтверждения работоспособности охлаждающего элемента исследователи поместили на грани кристалла граната высокочувствительные измерители температуры, которые зарегистрировали перепад в 0.25 миллиградуса. Такое значение перепада температуры полностью совпадает с расчетными значениями, что служит доказательством правильности теории. Конечно, при таком мизерном перепаде температуры говорить о практическом применении охлаждающих элементов просто бессмысленно, но ученые надеются, что им удастся найти другие комбинации материалов, эффективность работы которых по переносу тепла будет намного выше уже полученного значения.
Источник: tehnowar.ru.
Свежие комментарии