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等离子发动机

1903年,菜特兄弟发明了第一架由发动机驱动的飞机,并在美国北卡罗来纳州的一个土丘上飞了12秒,这为今天的航空器奠定了基础。115年后,美国麻省理工学院的航空工程师史蒂文・巴雷特( Steven Barrett和同事完成了一次革命性的飞行。他们制造的模型飞机重2.45千克,机翼长5米,飞行了55米。这看起来可能没有什么大不了,但这架飞机的“燃料”只有空气。

在飞机的机翼下,前后有四排薄片电池。前端电极有2万伏的正电压,强大的核聚変反应堆的温度将达到1亿摄氏度的高温。电场将空气分子转化为等离子体。氮和氧等正离子会被后端电极2万伏的负电压所吸引。而在飞往负电极的过程中,每个正离子会与数百万个中性空气分子相撞。当大量空气分子被撞向后方时,就会推动飞机向前移动。

史蒂文·巴雷特表示,这项技术可以用来制造无人驾驶飞机,而等离子发动机可以用于辅助普通喷气发动机。科学家正在研究利用更低的电压和更大面积的电极来产生推进力。

麻省理工学院的模型飞机产生的推力为每千瓦6(每耗费1千瓦的电会产生6牛的力)。当你拿着一个苹果时所感受到的压力,大约就为1牛。

除了巴雷特团队,中国武汉大学的科学家在等离子飞机发动机上的研究也取得了重大进展。他们已经制造出了一种可以产生更大推力的等离子发动机大概为巴雷特团队制造的发动机的5倍,达到每千瓦28牛。

这种发动机的工作原理是利用波,将管道中的空气分子转化为1000多摄氏度的等离子体。再将压缩空气充入管道,等离子体就会膨胀并爆炸般地将自己喷出管道,从而产生推进力。在一个小规模实验中等离子体膨胀产生的力可以举起放置在管道顶部的一个1千克重的金属球。中国科学家估计,如果不断改进这项技术,等离子喷气发动机也许能与现代喷气式发动机相媲美。

如果等离子发动机要被安装在喷气式飞机上,就必须制造出一种与飞机燃料相比,质量和能量都相当的电池。今天,每千克锂离子电池所能提供的能量大约为250瓦时,只有同等质量的飞机燃料的1/30。此外,如果电池由太阳能电池板或风力发电机产生的电力充电,空气就可以在飞行过程中不断转化为等离子体,未来的航空也完全不会再受气候影响。

文章采集自《奇点科学》杂志  2021.04期  p25

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