新式電漿推進器的原型機 / credit: Jau Tang and Jun Li

人類依賴化石燃料作為主要能源,特別是用於交通運輸。但化石燃料既不永續也不安全,它是溫室氣體的最大排放來源,會造成全球暖化並導致空氣汙染和破壞生態環境。中國武漢大學工業科學研究院的研究人員展示了一種原型機,該設備使用微波將空氣電漿化,以進行噴射推進。

革新

該研究的通訊作者,武漢大學湯朝暉教授表示:「我們的研究動機是解決人類使用化石燃料為汽車和飛機等機械提供動力造成的全球暖化問題。我們的設計不需要化石燃料,因此,不用擔心碳排放會引起溫室效應和全球暖化。」

除固體、液體和氣體之外,電漿是物質的第四種狀態,由聚集的帶電離子組成。它自然存在於太陽表面和地球上的閃電等處,但也可以人工生成。研究人員將空氣壓縮成高壓,並使用微波將加壓的空氣流離子化來創造電漿流。

此方法與以往其他電漿噴射推進器的關鍵差異在於,過去的電漿噴射推進器,例如 NASA 的黎明號(Dawn)太空探測器,使用的是氙氣(Xenon)的電漿,無法克服大氣的摩擦力,因此其動力不足以用於地球上的航空運輸。然而,這種新式的電漿噴射推進器僅使用空氣和電力生成高溫高壓的電漿。

聚沙成塔

在原型機中,高壓空氣通過微波電離室而轉變為電漿,實驗方式是在石英管上放置一顆可調整重量的中空鋼球,通過設定不同的微波功率、空氣流量,觀察可讓多重的鋼球開始在石英管上震動,藉此算出推力,再扣掉無產生電漿時,單純高壓空氣氣流即有的推力,計算出淨推力。

例如,400 瓦的微波和每小時 1.45 立方公尺的空氣流量,可產生 11 牛頓的推力,相當於 28 牛頓每千瓦的效率,再考量石英管截面積,單位面積的推力可媲美商用飛機的噴射引擎,若使用高功率微波源與建構推進器陣列,便可以將原型設計擴展為全尺寸噴射引擎,研究人員正在朝此目標提高設備的效率。

湯博士表示:「我們的研究結果表明,這種靠微波空氣電漿為動力的噴射引擎有望替代傳統的化石燃料噴射引擎。」

參考資料:

  1. Ye, D., Li, J., & Tang, J. (2020). Jet propulsion by microwave air plasma in the atmosphere. AIP Advances, 10(5), 055002. doi: 10.1063/5.0005814
  2. AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. (2020, May 5). Fossil fuel-free jet propulsion with air plasmas. Retrieved May 12, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/aiop-ffj050420.php
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