W urządzeniu zastosowano zjawisko wytwarzania plazmy w zjonizowanym mikrofalami powietrzu. Jeżeli widzieliście co dzieje się w mikrofalówce do której ktoś nieopatrznie (albo i celowo) włożył kawałek metalu (np. folię aluminiową), widzieliście ten mechanizm w mikroskali. Znany też on jest jako ”ogień świętego Elma”.
W tym drugim przypadku małe syczące płomyki widać na elementach np. samolotów, masztów na statkach czy kamieniach w górach. ”Ognie” zwiastują najczęściej burzę z piorunami. W urządzeniach stojących w domowych kuchniach promieniowanie mikrofalowe, czyli fale elektromagnetyczne o długości rzędu kilku, kilkunastu centymetrów, przechodząc przez substancję potrawy powodują ich ogrzanie.
To, co się grzeje w jedzeniu, to głównie woda. Gdy fale trafiają na metalowy przedmiot, zmienne pole elektromagnetyczne wytworzy w nim prądy wirowe. Te zwiększą jego temperaturę. Od powierzchni ogrzewa się wówczas powietrze w komorze i zwiększa jego ciśnienie. W skrajnym przypadku może nastąpić wybuch. Jeżeli metal nie ma ostrych brzegów, tak dramatycznego efektu nie będzie.
Folia metalowa wywołuje silną reakcję – widzimy iskrzenie. Im bliżej krawędzi, tym natężenie pola elektrycznego większe. W takim polu cząsteczki gazu między kawałkami metalu ulegają jonizacji, pojawia się przewodząca plazma – widzimy ją jako iskrę. Może skoczyć między krawędziami metalowych przedmiotów albo przedmiotem a ścianką kuchenki.
Im większa moc mikrofalówki, tym silniejsze pole elektryczne mogą wytworzyć włożone do środka metalowe przedmioty. Powstaje tam ”świetlna korona”, owe ognie świętego Elma. To właśnie obszary zjonizowanego powietrza. W konsekwencji przedmioty w środku mogą zapalić się. Zająć się ogniem może samo urządzenie.
Jeżeli jednak kontrolować to zjawisko, można osiągnąć niesamowity efekt. Chińskim inżynierom udało się, zamienić powietrze pod dużym ciśnieniem, przepuszczając je przez komorę jonizacyjną, w strumień plazmy. W ten sposób podnieśli swoim plazmowym palnikiem kilogramową kulę z metalu na wysokość 24 milimetrów.
Może nie brzmi to zachwycająco, ale fizyczne wartości prototypu zbudowanego w laboratorium uniwersytetu w Wuhan odpowiadają (w skali) tym z lotniczego silnika odrzutowego. Swoje doświadczenia opisali w czasopiśmie ”AIP Advances”.
– Motywacją dla naszej pracy jest chęć rozwiązania wywołanego przez ludzi problemu globalnego ocieplenia. W naszym projekcie nie ma potrzeby stosowania paliw kopalnych. Nie generuje on gazów cieplarnianych, nie przyczynia się do efektu cieplarnianego – przekonują Chińscy badacze.
Plazma to czwarty, obok gazu, płynu i ciał stałych stan skupienia (obecnie doliczono się 500. Przypominająca nieco gaz, zjonizowana materia składa się z – w większości – naładowanych elektrycznie cząstek. Występuje naturalnie na powierzchni Słońca czy w błyskawicach. Można ją też tworzyć.
“Chińska” metoda produkcji silnika plazmowego różni się nieco od dotychczasowych prób stworzenia takiej jednostki napędowej. W przypadku np. sond Deep Space 1 (dezaktywowana w 2001 roku) czy pojazdu kosmicznego NASA Dawn (na emeryturze wokół planety karłowatej Ceres od 2018 roku) używano silników jonowych wykorzystujących gaz szlachetny ksenon. Nie da się ich jednak używać do wyniesienia rakiety z powierzchni Ziemi – mają za mały ciąg by przezwyciężyć siłę grawitację. Dobrze działają dopiero na orbicie.
Z tego samego powodu dostępnych silników jonowych (nad którymi pracuje się już od 70 lat) nie stosuje się w lotnictwie. W przypadku chińskiego prototypu, palnik plazmowy generuje wysoką temperaturę, plazmę od dużym ciśnieniem wyłącznie bazując na powietrzu z otoczenia i elektryczności.
Zdjęcie prototypu: Jau Tang and Jun Li
Wynik, który osiągnęli z pomocą komory jonizacyjnej z lampą mikrofalową (magnetronem) o mocy 1kW przy 2,45GHz to 10 N przy 400 W i przepływie powietrza 0,5 l/s. Odpowiada to, twierdzą inżynierowie z Wuhan, wartościom uzyskiwanym przez silniki lotnicze używane w komercyjnych maszynach.
– Jeżeli jeszcze podnieść wydajność układu i zbudować macierz złożoną z wielu takich silników wyposażoną w źródła mikrofal dużej mocy, można ten prototyp wytworzyć w rozmiarze silnika odrzutowego montowanego na samolotach. Nasze urządzenie może być faktyczną alternatywą dla tradycyjnego silnika odrzutowego na paliwo stałe – przekonują autorzy w informacji prasowej.