Холодные магниты приходят на смену раскаленному топливу.
Над альтернативой химическим ракетным двигателям работают ученые из новозеландского Университета Виктории в Веллингтоне. Они создали уникальный электромагнит на основе высокотемпературных сверхпроводников, который должен стать сердцем принципиально новой космической установки. В ближайшие месяцы эту технологию впервые испытают на борту Международной космической станции.
Итак, команда из Исследовательского института Пайхау-Робинсон разрабатывает магнитоплазмодинамические двигатели с внешним полем (AF-MPD). Принцип их работы кардинально отличается от традиционных ракет, где тяга создается за счет химических реакций в сгорающем топливе. В AF-MPD магниты разгоняют заряженные частицы — ионы — до огромных скоростей. Поток этих частиц, вырываясь из установки, создает реактивную тягу, которая толкает космический аппарат вперед.
Идея таких систем появилась еще в 1970-х годах, но до сих пор никто не мог проверить, как они будут работать в реальных космических условиях. Главная проблема заключалась в том, что для создания мощного магнитного поля требовались слишком большие затраты энергии. Новозеландские ученые нашли решение: они применили высокотемпературные сверхпроводники (HTS).
Сверхпроводники — это материалы, которые при очень низких температурах полностью теряют электрическое сопротивление. «Высокотемпературными» их называют условно: магниты в установке будут работать при -198,15 градусах Цельсия (75 кельвинов). Для сравнения, обычные сверхпроводники требуют температур близких к абсолютному нулю. Отсутствие сопротивления позволяет пропускать через провода сильный ток, создавая мощные магнитные поля при минимальных затратах.
Результаты уже впечатляют. В 2023 году команда протестировала первый прототип сверхпроводящего электромагнита на ионном двигателе в японском Университете Нагои. За время испытаний систему включали более ста раз, и каждый раз магнит стабильно создавал поле силой в одну теслу — это примерно в 20 000 раз сильнее магнитного поля Земли. При этом он потреблял менее одного ватта энергии, что в сто раз меньше, чем требуется обычным медным электромагнитам. Более того, созданное поле оказалось втрое мощнее, чем у традиционных аналогов.
«Насколько нам известно, это будет самый мощный электромагнит, который когда-либо отправляли в космос», — отмечает Рэнди Поллок, главный инженер космического подразделения института.
Сейчас в лаборатории в Веллингтоне команда создает собственную разработку под названием Кокако. В отличие от большинства электрических ракетных установок, которые работают только с определенным видом топлива, Кокако гораздо универсальнее. Его можно заправлять разными веществами, что значительно снижает стоимость эксплуатации. При этом он способен развивать большую мощность и тягу, сохраняя высокую эффективность — именно такие характеристики требуются для длительных миссий к Луне, Марсу и более далеким космическим объектам.
Сердце Кокако — магнит из четырех катушек сверхпроводящей ленты размером с обеденную тарелку. В ближайшее время ученые планируют сделать его еще компактнее. Уменьшение размеров критически важно для космических полетов: чем легче бортовые системы, тем больше полезного груза сможет взять корабль.
В этом году институт Пайхау-Робинсон отправит на МКС экспериментальную установку под названием Хеки (в переводе с языка маори — «яйцо»). Очень символичное название, ведь успешные испытания могут стать началом новой эры в космонавтике. Устройство установят на внешней платформе NanoRacks, которую предоставила компания Voyager Space. В рабочем режиме система будет создавать магнитное поле мощностью до 0,5 тесла.
Сейчас Хеки проходит финальные испытания в лабораториях Voyager Space. Если все пойдет по плану, аппарат отправится в космос уже этим летом. Однако разработчикам пришлось серьезно потрудиться над конструкцией. По словам Поллока, команда приложила немало усилий, чтобы вписаться в строжайшие требования станции по ограничению рассеянных магнитных полей и убедиться, что эксперименты не повлияют на работу оборудования станции.