Plasma Motors: The Propulsion of Plasma by Magnetic Means

Abstract

It has been experimentally demonstrated that speeds of the order of 10⁷ cm/sec can be obtained by the propulsion of plasmas by magnetic forces resulting from high electrical current passed through the plasma. In order to increase the efficiency of energy transfer from the capacitor in which the energy is stored to the kinetic energy of the plasma, it is desirable that the gun be spread out over a distance of a large fraction of a meter in order that a discharged current can act upon the plasma for an appreciable length of time. This report examines the relationships for energy transfer in various types of rail-type plasma guns and motors. Also discussed is the efficiency of energy transfer in the induction or electrodeless type of gun. It is shown that with the rail-type guns with a length of the order of a meter with currents of the order of 10⁴ amperes and externally excited fields of the order of 10,000 gauss, speeds of the order of 10⁸ cm/sec and a back e. m. f. of the order of 20 kilovolts can be expected. This high a back e. m. f. suggests that it is possible to extract most of the energy of the capacitor and transform it into kinetic energy of the plasma in the first half cycle of current.

Zusammenfassung

Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁷ cm/sec konnten experimentell erreicht werden, indem Plasmen mit Hilfe magnetischer Kräfte beschleunigt wurden, die von starken, durch das Plasma geleiteten elektrischen Strömen herrührten. Um die Wirkung des Energieüberganges von dem Kondensator, in dem die Energie gespeichert ist, in kinetische Energie des Plasmas zu steigern, soll die „Kanone“ sich über die Entfernung eines großen Bruchteiles eines Meters erstrecken, damit ein Entladungsstrom während einer beträchtlichen Zeitdauer auf das Plasma einwirken kann. Die vorliegende Arbeit untersucht die Verhältnisse für den Energieübergang in verschiedenen Arten der „Plasmakanone mit Führung“ („Schienen-Plasmakanone“) und Plasmamotoren. Auch die Wirksamkeit des Energieüberganges in der Induktions-oder elektrodenlosen Kanone wird erörtert. Es wird gezeigt, daß mit Schienenkanonen von einer Länge in der Größenordnung eines Meters, Strömen in der Größenordnung von 10⁴ Ampere und außen erregten Feldern in der Größenordnung von 10 000 Gauß Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁸ cm/sec und elektromotorische Rückstoßkräfte von etwa 20 Kilovolt erwartet werden können. Diese so hohe elektromotorische Rückstoßkraft macht die Möglichkeit aussichtsreich, den größten Teil der Energie des Kondensators aus ihm abzuleiten und während des ersten Halbzvklus des Stromes in kinetische Energie des Plasmas umzuformen.

Résumé

Des vitesses de l’ordre de 10⁷ cm/sec. ont été obtenues expérimentalement en accélérant un plasma a l’aide des forces magnetomotrices résultant de courants électriques intenses à traverse celui-ci. Pour augmenter le rendement de conversion de l’énergie stockée dans la capacité en énergie cinétique du plasma, il est désirable d’étendre la longueur du canon à une bonne fraction de mètre pour obtenir une durée d’action suffisante du courant sur le plasma. Le présent rapport examine les facteurs de conversion énergétique dans différent types de canons à rail et moteurs et discute le rendement de conversion dans le canon à induction dépourvue d’électrodes. Il apparaît que le type à rail d’une longueur de l’ordre du mètre avec des courants d’environ 10⁴ ampères et avec un champ extérieur d’environ 10.000 gauss donnera la possibilité d’obtenir des vitesses de 10⁸ cm/sec. avec une force contre électromotrice de l’ordre de 20 kilovolts. Cette grande force contre-électromotrice suggère la possibilité de convertir la majeure partie de l’énergie de la capacité en énergie cinétique du plasma pendant la première moitié du cycle du courant.

This work has been sponsored by the U.S. Air Force Office of Scientific Research and the Sherwood Branch of the U.S. Atomic Energy Commission.