Wie genau erzeugt ein magnetoplasmadynamisches (MPD) Triebwerk Schub?

Ich glaube, du überdenkst das. Am Ende des Tages wird das Zeug sehr schnell nach hinten geschleudert, und dieser Impuls treibt das Raumschiff vorwärts. Am Ende des Tages ist es ein Reaktionsmotor.

Es gibt jedoch einige Details, die wir herausarbeiten können. (Obligatorischer Haftungsausschluss: Ich bin kein Experte für MPDTs, aber ich denke, ich weiß genug, um dies zu beantworten.)

So wie ich es verstehe [...]

Richtig.

Aber der Großteil des Stroms wird aufgrund ihrer höheren Mobilität von Elektronen getragen, oder?

Richtig, aber beachten Sie, dass diese Elektronen "neue" Elektronen sind, die buchstäblich die Kathode selbst verlassen und sich von der Kathode zur Anode bewegen (dh der Strom fließt von Anode zu Kathode). Das Plasma selbst ist elektrisch neutral. Die Bewegung der Ionen und Elektronen aus dem Plasma kann stattfinden, ist aber für die Funktionsweise des Triebwerks nicht relevant.

Die Gasatome, die sich zunächst in axialer Richtung bewegen, unterliegen dann ionisierenden Stößen mit den Elektronen und streuen dann in eine Richtung.

Nicht wirklich. Die Elektronen bewegen sich nicht sehr schnell und auf jeden Fall streuen Atome nicht so sehr an Elektronen wie Elektronen an Atomen. Das Ganze ist ein Plasma, daher ist das Konzept eines gebundenen Atoms sowieso etwas fragwürdig: Insbesondere bei den leichteren Treibgasen und Niederdrücken, die MPDTs verwenden, interagieren die Ionen und die Elektronen grundsätzlich nicht physikalisch.

Bei einer Plasmaentladung ist das Massenplasma normalerweise nahezu feldfrei, während die großen Potentialabfälle an den Elektrodenoberflächen auftreten. Ich sehe nur nicht ein, warum sich die Ionen dann auch in radialer Richtung bewegen sollten, was bedeutet, dass sie nicht unbedingt durch das Magnetfeld nach außen beschleunigt werden.

Der (Gesamt-) Impuls aufgrund des elektrischen Felds hängt letztendlich von der (Gesamt-) Potentialdifferenz ab, sodass nur die Größe von Bedeutung ist, nicht die Art und Weise, wie sie sich darin ändert. Aber eigentlich ist dies nicht relevant, da in einem MPDT der größte Teil der Beschleunigung vom Magnetfeld statt vom elektrischen Feld zu kommen scheint.

Unabhängig davon, ob das Magnetfeld ein Eigenfeld aufgrund des Anoden-Kathoden-Stroms oder ein angelegtes Feld (extern) ist, wird das Magnetfeld dazu gebracht, den Motor zu umhüllen. Arbeitet man sich durch die Lorentzkraft, sieht man, dass Teilchen beider Ladungen in dieser Konfiguration rückwärts beschleunigt werden.

^Bildquelle

Die Lorentzkraft ist$\mathbf{F}=q(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times\mathbf{B})$. Beim Einströmen des Treibmittels werden die Ionen (die$q$) haben eine Geschwindigkeit$\mathbf{v}$senkrecht zur$\mathbf{B}$, und erfahren so eine Beschleunigung. Tief im Inneren des Motors ist dies radial, aber wie die Abbildung andeutet, krümmt sich das Magnetfeld; an der Rückseite des Motors ist die resultierende Beschleunigung für positive Ionen rückwärts.

Die Elektronen im Plasma würden in die andere Richtung beschleunigt, aber aufgrund der Elektrostatik letztendlich mit den viel schwereren Ionen mitziehen.

(Aufräumen)

Werden nur die Elektronen beschleunigt und ziehen dann die Ionen durch ambipolare Diffusion mit sich?

Wie oben werden sowohl die Elektronen als auch die Ionen durch die Lorentzkraft beschleunigt.

Ich verstehe auch nicht wirklich, wie die Ladungsträger den nötigen Entladestrom liefern können und gleichzeitig nach außen beschleunigt werden.

Wie oben, beinhaltet der Strom zwischen Anode und Kathode "neue" Elektronen, die buchstäblich die Kathode selbst verlassen. Diese werden durch das Feld beschleunigt, aber letztendlich findet eine gleiche Anzahl von Elektronen ihren Weg zurück zur Anode, während das Plasma elektrisch neutral bleibt.

Beachten Sie, dass der Strom, der erzeugt wird, nicht so sehr von einzelnen Elektronen oder ihrer Geschwindigkeit abhängen muss, sondern von ihrem Volumen. Elektronen können starke Ströme erzeugen, während sie sich kaum bewegen. Beachten Sie auch, dass in einem MPDT mit angewandtem Feld der Hauptzweck des Stroms darin besteht, das Treibmittel zu ionisieren; dies erfordert nicht so sehr einen hohen Strom als eine hohe Spannung; das eigentliche Magnetfeld in dieser Konfiguration wird extern angelegt.