Група дослідників з інституту Технічних наук університету Ухані, Китай, розробила і продемонструвала перший у своєму роді прототип мікрохвильового плазмового прискорювача, здатного працювати в умовах земної атмосфери. І навіть в його нинішньому “лабораторному вигляді” цей прискорювач вже здатний виробляти тягу з ефективністю, що з ефективністю турбореактивних двигунів, що встановлюються на сучасних авіалайнерах.
Подібні плазмові прискорювачі, відомі ще під назвою іонні або плазмово-іонний двигуни, вже досить давно використовуються в космічній техніці, прискорюючи космічні апарати за рахунок електричної енергії, одержуваної від сонячних променів. Однак, такі двигуни абсолютно не працюють в умовах земної атмосфери, по-перше, вони виробляють вкрай малу тягу, і по-друге, прискорені іони ксенону дуже швидко втрачають енергію через зіткнення з молекулами повітря.
У конструкції нового мікрохвильового плазмового прискорювача використовується тільки електрична енергія і повітря, тим не менш, він, цей прискорювач, виробляє таку значну тягу, що його вже можна розглядати в якості перспективного кандидата на посаду двигуна майбутнього електричного літака. Цей пристрій працює, іонізуючи повітря, що нагнітається компресором, і перетворюючи це повітря в низькотемпературну плазму, що виходить з сопла під досить великим тиском.
Ключовим моментом всього цього є хвилевід, через який потік мікрохвильового випромінювання, що виробляється магнетроном частотою 2.45 ГГц і потужністю в 1.1 кВт, підводиться до труби, в якій формується потік плазми. За рахунок особливої форми цього хвилеводу потік мікрохвильового випромінювання “стискається” по висоті в два рази, що призводить до збільшення напруженості електричного поля. І саме це дозволяє передати повітрю якомога більше енергії у вигляді тепла, що створює досить високий тиск плазми.
Під час експериментів дослідники помітили, що висота “плазмового полум’я”, за умови стабільного потоку повітря, збільшується при збільшенні потужності СВЧ-випромінювання, що виробляється магнетроном. На жаль, висота плазмового стовпа була єдиною можливістю непрямого вимірювання створюваного в трубі тиску, адже будь-який вимірювальний пристрій було б моментально зруйновано впливом потоку плазми, температура якої дорівнює приблизно тисячі градусів.
Для вимірювання сили тяги, створюваної мікрохвильовим плазмовим прискорювачем, дослідники використовували великий порожнистий металевий кулю, вага якого можна було змінювати, додаючи додаткові або видаляючи сталеві дробинки з його порожнини. Експериментальним шляхом дослідники підбирали вага кулі так, що він перебував у піднесеному стані. Тоді його вага дорівнював сумі тяги, створюваної плазмою, плюс тяга потоку повітря, створюваного компресором.
Змінюючи потужність магнетрона і силу потоку повітря, дослідники знайшли, що залежність сили тяги має чітку лінійну залежність від потужності СВЧ-випромінювання і від величини потоку повітря. При потужності, що підводиться в 400 Вт і потоці повітря в 1.45 кубічних метра на годину, плазмовий двигун виробляв силу тяги в 11 Ньютоновий, забезпечуючи показник в 28 Н/кВт.
Для порівняння, в електричному експериментальному літаку Airbus E-Fan використовуються два електричних двигуна, потужністю в 30 кВт кожен, які сумарно виробляють тягу в 1500 Ньютонів. Це має на увазі ефективність в 25 Н/кВт, що менше ефективності лабораторного повітряно-плазмового двигуна.
Наступними кроками, які мають намір зробити китайські дослідники, стануть спроби збільшення ефективність їх мікрохвильового плазмового прискорювача і пошуки більш надійної і більш точної заміни методу вимірювання сили тяги за допомогою металевої кулі.
Однак, з цим новим мікрохвильовим плазмовим прискорювачем, як і у випадку з будь-якої іншої “бочкою меду”, є своя “ложка дьогтю”, пов’язана з реаліями сучасних практичних технологій. Для створення повнорозмірного двигуна, здатного конкурувати з існуючими авіаційними двигунами, потрібно збільшити потік плазми на його виході в 15 тисяч разів. Мінімум в стільки ж повинна збільшитися і подається потужність СВЧ-випромінювання, однак, запхати в літальний апарат батареї, здатні забезпечити таку потужність, не надається можливим на сьогоднішній день. Та й батареї є далеко не ідеальним варіантом, кількість укладеної в них енергії в 43 разів нижче кількості енергії, укладеної в авіаційному паливі такої ж ваги.
Проте, новий мікрохвильовий плазмовий прискорювач має нові і цікаві принципи роботи і конструкцію. І якщо проблема масштабування його конструкції буде вирішена успішно, то в майбутньому, коли з’являться якісь нові компактні і потужні джерела енергії, цей прискорювач цілком зможе стати тим, що зробить авіацію повністю екологічно чистим видом транспорту.