Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя
В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.
Кому он нужен, этот геликонный двигатель
Что такое геликонный двигатель. Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.
ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.
Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.
Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.
Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.
Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»На эту роль уже несколько десятилетний претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.
Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.
Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.
Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.
Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.
Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.
Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.
Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.
В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).
Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы
Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.
Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.
Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.
Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».
Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.
Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.
Наиболее известным проектом в этой области является ITER — проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели — получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.
Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть — передана во внешнюю сеть — планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.
Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.
Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.
Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.pngСледует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.
Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России
Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.
Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpgПлазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.
Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.
Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.
Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.
Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.
Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ Курчатовский институт»Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 1013 см-3. Именно такая плотность характерна для геликонных источников.
Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.
Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(
),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.
Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.
Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).
Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).
Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:
Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК» Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.
Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.
Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.
The road ahead или планы на будущее
Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.
«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».
Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.
Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 1013 см-3.
Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?
Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.
