电荷分离机制的制作方法
本发明涉及磁流体动力学，尤其(但不是排他地)涉及一种用于分离导电流体中的正电荷和负电荷的机制。
背景技术：
磁流体动力学(mhd)的研究涉及导电流体在外部磁场中的行为。导电流体在静态磁场中的运动导致了作用于载流子从而在该流体内产生电流的洛伦兹力。洛伦兹力的作用方向同时垂直于运动方向和磁场方向，如下式所示：
f＝q(vxb)
其中f是洛仑兹力，q是以速度v移动通过磁场b的粒子的电荷。
通过使导电流体移动通过垂直磁场，可以实现流体中载流子的电荷分离。例如，在流体是海水的情况下，由于相关的洛伦兹力作用于相反的方向，因此正离子和负离子将分离，因此该技术可用于海水淡化。电荷分离在第三轴线中建立电势，可以在mhd发电机中利用该电势以通过在电阻负载两端施加电势来驱动电流。mhd发电机通常使用海水、等离子体、熔融盐或熔融金属作为导电流体。
来自mhd发电机的功率输出主要由导电流体的流速和导电率决定。因此，传统的等离子体mhd发电机通常使用热的致密的等离子体来确保最大的电导率。为了确保足够的流体流速和足够的磁场以便实现所需的电荷分离，传统的mhd发电机需要很大。通常，所使用的致密材料使mhd限于地面应用。
本发明旨在克服这种限制，以得到一种较小的发电机，该发电机相比于传统发电机需要较弱的待施加磁场，从而显著增加了潜在应用的数量。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种在具有低粒子密度的等离子体中产生电荷分离的方法，所述等离子体包括多个电子和多个正离子。该方法包括产生磁场并使具有低粒子密度的等离子体沿第一轴线通过所述磁场。所述磁场被产生成具有垂直于所述第一轴线的分量，并且被配置成从所述第一轴线偏移所述多个电子，并允许所述多个正离子沿着所述第一轴线进行基本上不偏移的行进。
具有低粒子密度的等离子体可以是基本上理想的等离子体，在所述等离子体中，所述多个正离子和所述多个电子基本上彼此独立地进行移动。
具有低粒子密度的所述等离子体的等离子体频率可以大于具有低粒子密度的所述等离子体的粒子碰撞频率。所述等离子体的粒子密度可以低于1020m-3
所述磁场可以使所述多个电子偏移以以在绕所述第一轴线的闭合漂移回路中行进。
所述磁场的垂直分量可以沿相对于所述第一轴线的径向方向延伸。
所述磁场可以由多个环形磁体形成，所述多个环形磁体布置成与所述第一轴线对齐的一连串相邻圆环。可以布置所述多个环形磁体，使得每个圆环的磁极与在该串中的每个相邻圆环的磁极是相对的
可以使用第一电极产生电流，所述第一电极被布置成收集在所述磁场下基本上不偏移的所述多个正离子。
可以将所述第一电极通过负载连接至地面连接(groundconnection)而产生所述电流。
可以将所述第一电极通过负载连接至第二电极而产生所述电流，所述第二电极被布置成收集在所述磁场下偏移的所述多个电子
具有低粒子密度的所述等离子体可以包括一种或多种电离推进物质。所述一种或多种推进物质包括至少一种燃料和至少一种氧化剂。
根据本发明的另一方面，还可以提供一种磁流体动力学(mhd)发电机，其包括入口，连接到腔室，所述入口被布置成接收沿第一轴线流动的具有低粒子密度的等离子体，所述具有低粒子密度的等离子体包括多个电子和多个正离子；装置，用于在所述腔室中产生磁场，所述磁场具有垂直于所述第一轴线的分量，所述磁场被配置成使得当具有低粒子密度的所述等离子体通过所述腔室时，所述多个电子从所述第一轴线偏移，并且所述多个正离子被允许沿着所述第一轴线进行基本上不偏移的行进；以及一个或多个电极，用于连接至负载，以便使用通过所述磁场在所述等离子体中建立的电荷分离来产生电流。
根据本发明的另一方面，还可以提供一种适用于近地轨道(leo)的推进器，所述推进器包括入口，连接到腔室，所述入口被布置成当所述推进器沿第一轴线移动时，接收具有低粒子密度的等离子体，具有低粒子密度的所述等离子体包括多个电子和多个正离子；装置，用于在所述腔室中产生磁场，所述磁场具有垂直于所述第一轴线的分量，所述磁场被配置成使得当具有低粒子密度的所述等离子体通过所述腔室时，所述多个电子从所述第一轴线偏移，并且所述多个正离子被允许沿着所述第一轴线进行基本上不偏移的行进；以及装置，用于产生电场，以便对所述多个正离子沿所述第一轴线进行加速。
可选特征可以是根据本发明的mhd发电机的一部分或根据本发明的leo推进器的一部分：
当通过腔室的具有低粒子密度的等离子体是具有低于1020m-3的粒子密度的基本上理想的等离子体时，磁场可建立电荷分离。
该磁场可使多个电子偏移以行进到围绕第一轴线的闭合漂移回路中。
磁场的垂直分量可以沿相对于第一轴线的径向方向延伸。用于施加磁场的装置可以包括布置成与第一轴线对齐的一连串相邻圆环的多个环形磁体。
可以布置多个环形磁体，使得每个圆环的磁极与在该串中的每个相邻圆环的磁极是相对的。
一个或多个电极可以包括第一电极，所述第一电极被布置成收集在所述磁场下基本上不偏移的所述多个正离子。
第一电极可以具有布置成垂直于第一轴线的环形形状。
第一电极可以通过负载连接到接地连接。
第一电极可以通过负载连接到第二电极，第二电极被设置为收集在所述磁场下偏移的多个电子。第二电极可以与入口位于同一位置。
具有低粒子密度的等离子体可以包括一种或多种电离推进物质。所述一种或多种推进物质可以包括至少一种燃料和至少一种氧化剂。具有低粒子密度的等离子体可以包括电离的氧化铝。
入口可以包括：内部喷嘴，被布置成接收铝燃料源；以及外部喷嘴，被布置成提供氧气以与铝燃料反应，使得电离的氧化铝从入口被推进到腔室中。铝燃料源可以以铝线的形式来接收。
电极可以收集被磁场偏移的多个电子；并且中和器可以沿着第一轴线发射多个电子。
入口可以收集推进器正在移动通过的具有低粒子密度的等离子体。电场可以由多个多孔栅格来产生，该多孔栅格具有在至少两个栅格之间建立的电势差。
本发明的技术允许利用等离子体介质内的离子和电子的不均匀运动来有效地从具有低粒子密度的等离子体中提取功率。
在低密度下，等离子体中的离子和电子的运动是独立的，因此可以基于离子和电子的分离而产生高电压。常规使用的密度较高的材料并不是这种情况，其主要的行为是离子和电子的整体运动。
附图说明
现在将参照附图通过示例对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是根据第一实施例的mhd发电机的侧视图；
图2是根据第二实施例的mhd发电机的侧视图；
图3是第二实施例的mhd发电机的透视图；
图4是根据第三实施例的mhd发电机的侧视图；以及
图5是根据第四实施例的leo推进器。
具体实施方式
参照图1，示出了根据第一实施例的磁流体动力学(mhd)发电机1，其包括：到腔室20的入口10、用于在腔室内产生磁场b的装置和电极30。
低密度等离子体通过入口10来接收，并进入腔室20中以穿过磁场。等离子体运动的平均方向限定了mhd发电机的第一轴线(x)。单个粒子在等离子体中的运动不一定平行于第一轴线，但是在该方向上存在等离子体的总体流动。mhd发电机的磁场的至少一个分量垂直于第一轴线，沿着该第一轴线来推进等离子体。在本实施例中，磁场沿着垂直于第一轴线的第二轴线(y)平行且不发散。
低密度等离子体通过磁场的运动使洛伦兹力作用于等离子体。具体而言，磁场的垂直分量用于偏移等离子体中的多个带电粒子。洛伦兹力沿着垂直于第一和第二轴线中的每一个轴线的第三轴线(z)起作用。带正电的粒子和带负电的粒子以相反的方向偏移，导致等离子体内的电荷分离。在电荷分离起作用之后残留在腔室20内的中性粒子经由排气口40从腔室中排出。
mhd发电机1的电极30收集被磁场偏移的带电正粒子或带电负离子。带电电极30因此可以在通过负载接地时产生电流。或者，取决于等离子体的性质，横跨腔室间隔开的一对电极可分别收集带电正粒子和带电负粒子，使得当该对电极通过负载连接时可以产生电流。
根据本实施例的mhd发电机1中使用的等离子体是低密度等离子体，这意味着等离子体的总体粒子密度低。更特别地，等离子体的粒子密度足够低，使得与在等离子体介质内以非均匀方式行进的带电粒子的平均自由程相关联的平均自由时间明显大于平均相互作用时间。等离子体的等离子体参数很大
对于包含正离子和电子的低粒子密度等离子体来说，电子在磁场中回旋运动的回磁频率远大于等离子体的碰撞频率。低密度等离子体的电子因此可以被磁场偏移，并具有最小的散射。比电子质量大得多的正离子从它们的初始轨迹通过腔室被偏移了相对较小的量，这导致低密度等离子体中显著的电荷分离。磁场的强度被配置为允许正离子的平均运动基本保持在第一轴线的方向上而几乎不偏移，同时电子沿着第一轴线的运动被抑制。
穿过腔室20的低密度等离子体的电子被磁场偏移。等离子体通过腔室20的初始运动方向基本上沿着第一轴线，并且所产生的磁场沿着第二轴线而产生作用。等离子体带电粒子上的洛仑兹力作用于垂直于磁场和运动方向的方向。沿着第一轴线行进的带电粒子受到沿第二轴线横向作用的力。
非发散磁场将使带电粒子在垂直于磁场的平面中遵循圆形路径。圆周运动轨道的半径与粒子质量和粒子速度成正比。因此，电子轨道将比以相同速度行进的相对较重的正离子的轨道小得多。对于最轻的正离子(即质子)来说，圆形轨道的半径将比电子的半径大1800倍左右。
因此，可以选择磁场的强度，使得进入的等离子体中的电子被俘获在腔室20内的圆形轨道中，而正离子在腔室20的长度上基本上不偏移。被俘获的电子的轨道的频率是回磁频率或回旋频率。由于碰撞频率远小于回旋频率，因此电子将在每次散射事件之间进行多次绕行。
等离子体内的电荷分离起到在沿着第一轴线继续行进的基本未偏移的带电正粒子与沿着第一轴线的行进受到阻碍的带电负粒子之间建立电场的作用。该电场沿着第一轴线在相对于等离子体初始运动的反向上起作用。随着时间的推移，偏移电子的运动呈现总体漂移速度，其取决于e×b，其中e是由电荷分离引起的电场。
电子运动可以描述成在较慢移动的引导中心周围的一个较快的回旋轨道，其中引导中心如上所述以漂移速度运动。因此，在该实施例中，多个电子在磁场和建立的电场的影响下漂移到腔室20的一侧，以便由mhd发电机1的电极30进行收集。电子的横向漂移导致了沿腔室两侧之间的第三轴线所建立的霍尔电压。该建立的霍尔电压垂直于磁场和沿第一轴线建立的电场。霍尔电压可以用来驱动电流通过负载，例如，用以产生电功率。
本实施例的mhd发电机1中的等离子体的低粒子密度允许基本上独立的电子运动和离子运动。本发明利用较低的磁场强度提供较大的电荷分离，因此与使用高密度等离子体相比，可以实现更大的功率提取效率，其中碰撞频率大于回磁频率。在本发明的另一个优点中，具有较小物理尺寸的mhd发电机也可以提供更大的功率提取，因为相比于所施加的磁场的影响，等离子体自身中的电子和离子的分布对电荷分离效应的影响更大。
图2示出了根据第二实施例的mhd发电机1。参考第一实施例所描述的特征具有相同的附图标记，并且为了简洁起见省略了对它们的进一步描述。
第二实施例的mhd发电机1包括主要为径向的磁场。磁场通过布置环形磁体50而产生，环形磁体50中的每一个均围绕腔室20放置成与第一轴线对齐。磁性布置包括一连串环形磁体50，在相邻环中，这些环形磁体具有相对的取向。根据该实施例，磁场由具有相反取向的两个环形磁体50产生，从而形成一个区域，在该区域中，两个相同的磁极彼此相对。本实施例的磁性布置具有一连串包括北和南的磁极，南北极性沿着mhd发电机1的第一轴线所观察的顺序排列。在一些实施例中，磁场可以由环形永磁体产生，或者通过环形的电磁体或超导磁体产生。南极彼此相对的区域被称为磁场形状的“尖端(cusp)”，因此整个场分布被描述为“径向尖端场”。应当理解的是，磁极性可以颠倒而不失普遍性。
由该布置产生的磁场在与每个磁极环对齐的平面中呈现基本上径向的场分布。例如，在两个环形磁体50与相对的南极邻接的平面中，径向向外指向的场随着距中心零区域的径向距离的增加而增加。在北极的每个环的平面内，径向向内指向的场将随着距中心零区域的径向距离的增加而增加。在磁极的每个环之间的区域中，磁场基本平行于mhd发电机1的第一轴线延伸。
当等离子体的带电正粒子和带电负粒子通过磁场时，磁场的径向延伸分量垂直于粒子运动的轴向分量，并对每个带电粒子施加洛伦兹力。洛伦兹力的作用方向与运动方向和磁场方向均垂直。径向向内指向的磁场因此用于分别沿相对于运动方向的逆时针方向和顺时针方向对带电正粒子和带电负粒子进行偏移。
磁场将使带电粒子在垂直于磁场的平面内遵循大致为圆形的路径。由于磁场的发散而使得路径不完全是圆形的。圆周运动轨道的半径与粒子质量和粒子速度成正比。因此，电子轨道将比以相同速度行进的相对较重的正离子的轨道小得多。电子轨道的半径将比正离子的轨道半径小至少1000倍。
在具有低粒子密度的等离子体中，如上所述，带电正粒子和带电负粒子的运动基本上彼此独立。根据该实施例，包含铝和氧的混合物的低密度等离子体被沿着第一轴线的方向推进通过入口10。相对于沿着第一轴线的等离子体的总体流动，单个粒子的初始轨迹可以包括小的角度扩展。低密度等离子体包括正离子和电子。
因此，可以选择磁场的强度，使得进入的等离子体中的电子被俘获在腔室20内的圆形轨道中，而正离子在腔室20的长度上基本上不偏移。电子被俘获在磁场的尖端区域。被俘获电子的轨道的频率称为回旋频率或回磁频率。
等离子体内的电荷的初始分离起到在沿着第一轴线延续行进的基本未偏移的带电正粒子与沿着第一轴线的行进受到阻碍的带电负粒子之间建立电场的作用。该电场沿着第一轴线在相对于等离子体初始运动的反向上起作用。
建立的电场基本平行于第一轴线。电场的方向为从腔室20的下游端朝向入口10。电场沿着垂直于尖端区域中的磁场的方向起作用，在该尖端区域中，磁场基本上是径向的。电场和垂直磁场引起方位角霍尔电流(azimuthalhallcurrent)流过腔室20中的等离子体。使俘获在磁场的尖端区域中的电子沿垂直于磁场和建立的电场的方向漂移。电子继续围绕沿漂移方向移动的引导中心进行轨道运动。电子的引导中心在腔室的第一轴线周围沿方位角方向、顺时针方向或逆时针方向漂移。以这种方式，电子被偏移以进入环绕腔室20的第一轴线的闭合漂移回路。
使多个俘获的电子围绕第一轴线而在霍尔电流中循环。循环通过等离子体的霍尔电流引起等离子体的焦耳热。导电等离子体抵抗电子的流动并因此产生热量。电子的动能被转换成等离子体的热能。加热低密度等离子体增加了构成等离子体的粒子(包括中性粒子)的能量。
俘获的电子可以与通过腔室20的等离子体中的中性粒子碰撞。与中性粒子的碰撞可以使电子失效，使粒子电离。等离子体中的一部分中性粒子以这种方式被俘获的电子电离。进入的等离子体的电离百分比在其穿过腔室时增加。低密度等离子体在下游端的电离百分比高于入口处。
随着等离子体温度的升高，中性粒子更容易被电离。因此随着等离子体流过电子的闭合漂移回路，加热等离子体增加了电离的速率。另外，由中性粒子电离释放的电子也被磁性尖端俘获在闭合漂移回路中。随着更多的电子被捕获在霍尔电流中，电离率因此可以随着时间的推移而改善。
随时间推移而增加的电离百分比导致在腔室20的下游端处更多数量的正离子。因此，通过分离电荷产生的电场的强度将随时间而增加。可以在没有产生初始场的情况下建立基本上是轴向的电场。该实施例中的磁场的几何形状允许用较低强度的磁场分离电子和正离子。因此，mhd发电机1的功率提取效率提高。
关于等离子体的运动，第一电极31是环形电极，其布置在与mhd发电机1的第一轴线垂直的平面中并且位于多个环形磁体50的下游。第一电极31被布置成截获基本未偏移通过磁场的多个正离子。当被电极截获时，正离子从第一电极31收集多个电子。
第二电极32位于等离子体入口10的上游并且通过负载33连接到第一电极31。第二电极32收集已经偏移进入闭合漂移回路或者由于负电荷的集中而被排斥进入腔室20的多个电子。因此，mhd发电机1中的电荷分离导致电子从第二电极32流向第一电极31，使得电流被驱动通过负载33。在一些实施例中，第一电极31可以通过负载33连接至地。
通过其接收等离子体的入口10包括用于推进低密度等离子体通过腔室20的喷嘴11。低密度等离子体从喷嘴11喷射在以第一轴为中心的窄锥体中。喷嘴11形成第二电极32，或者与第二电极32位于同一位置。喷嘴11安装有稳定磁体12，稳定磁体12用于稳定等离子体流，例如在腔室20的中央纵轴附近。在本实施例中，稳定磁体12形成为环形磁体，并且该场具有沿着喷嘴11的中心区域平行于第一轴线的外形，该外形稳定了等离子体，如图2所示。
在其它实施例中，本发明的mhd发电机1可以包括三个或更多个环形磁体，其与具有相反取向的相邻环形磁体串联布置。具有三个环形磁体的实施例具有一连串包含北、南、南、北、北、南的磁极，从而形成南极彼此相对时的第一磁性尖端和在北极彼此相对时的第二磁性尖端。通过提供多个连续的磁性尖端，本发明的实施例可以提供改良的电荷分离，这导致发电效率的进一步提高。
如果所产生的磁场的至少一个分量垂直于等离子体的运动方向，则可以使用一个或多个磁体的替代布置来实现本发明构思。通过磁场对电子进行偏移可以在反平行于等离子体的运动方向的方向上建立电场。可以沿垂直于所产生的磁场和所建立的电场的方向来建立霍尔电压。本发明的实施例被配置为产生具有径向几何形状的磁场，使得霍尔电压形成电子的闭合漂移回路。
根据实施例的mhd发电机1的磁场可以通过布置两个或更多个圆柱条形磁体来产生，每个圆柱条形磁体均在腔室中心布置成与第一轴线对齐。磁性布置可以包括具有相对取向的两个圆柱条形磁体，以便在两个相似的磁极彼此相对的区域中形成磁性尖端。在两个磁体之间的区域中产生大致为径向的磁场，所述磁场在两个相对的北极之间径向向外指向或者在两个相对的南极之间径向向内指向。
可选地，以上参考图2描述的环形磁体实施例可以与包括圆柱条形磁体的中心布置，或者可选地，具有较小直径的一连串环形磁体组合。因此，该实施例的磁性布置因而限定了围绕第一轴线并与其对齐的环形腔室。磁体的中央布置被配置为具有与外部环形磁体相反的极性。例如，形成具有北极、南极、南极和北极的一连串磁极的环形磁体的布置与南极、北极、北极和南极的中心布置相结合，反之亦然。
在两个相邻的磁体组彼此邻接的平面中产生基本上为径向的磁场，其中磁场可以从中心的一对北极径向向外地指向外部的一对南极，或者从一对外部北极径向向内地指向内部的一对南极。
在另一个实施例中，闭合漂移回路可以由平行于mhd发电机1的轴线延伸的磁场形成，其中低密度等离子体的速度的至少一个分量相对于所述轴线径向延伸。由电荷分离建立的电场e在这种情况下具有径向分量，使得取决于e×b的霍尔电压形成围绕轴线的电子闭合漂移回路。下面将参考图4更详细地描述这样的实施例。
图3以实验室规模的实施方式示出了第二实施例的mhd发电机1。以下大小仅为数量级值。mhd发电机1包括由喷嘴11和第一电极31在各自的端部限定的腔室20，其邻接多个环形磁体50。mhd发电机1的腔室20长1m，半径为0.1m。
具有低粒子密度的氧化铝等离子体利用电弧对通过喷嘴11的内部部件111供给的铝线进行加热来形成。氧气穿过喷嘴的外部部件112并且与铝线进行放热的反应以形成氧化铝等离子体，该氧化铝等离子体在窄椎体中沿着第一轴线从喷嘴11以高速被推进通过腔室20。
在一些实施例中，低密度铝等离子体可以通过替代方法产生。铝燃料源可以提供纯铝，或作为合金或化合物的一部分的铝，其可以受到加热和/或进行化学反应以产生低密度铝等离子体。
尽管在腔室20的主体中通过提取动能降低了速度，被推进通过腔室20的低密度等离子体在入口10处还是具有10km/s的粒子速度。低密度等离子体具有通常为1020m-3或更小的低粒子密度。在一个实施例中，粒子密度是1020m-3。小部分的等离子体可能被电离，例如进入的等离子体可能有1％被电离。带电粒子密度因此为1018m-3。
峰值磁场强度为100高斯(10-2t)。磁场的强度足以使等离子体的电子偏移，同时允许正离子基本上不偏移地流过腔室20。电子的偏移导致电子与正离子沿着第一轴线被空间分离。
当设计上述实施例的mhd发电机1时，考虑等离子体的德拜长度以确定腔室的大小。德拜长度是静电效应将持续进行的范围，因此其被控制为足以使电荷分离效应能够发生。德拜长度通过选择适当的等离子体压力来控制。为了增加德拜长度，降低电子密度并升高温度。
在上述实施例中，排出气体包括低压弱离子束。
由本实施例的mhd发电机1产生的功率可以被引导至电弧喷嘴11，以对铝线进行电加热，从而产生低密度等离子体。随着效率的提高，由mhd发电机1从铝和氧之间的化学反应中恢复的功率可能足以满足电弧喷嘴11的功率需求，使得mhd发电机1可以作为自维持(self-sustaining)等离子源。一旦开启，只要提供铝燃料源，自维持等离子源将输出弱离子化的排气束。
排出气体可以用于许多应用。例如，可以在物理气相沉积(pvd)过程中使用排出气体，在该过程中，期望沉积对应于等离子体的材料的薄膜。一个示例是由氧化铝等离子体沉积的氧化铝涂层。因此可以设计包含发电额外益处的pvd系统，由于mhd发电机1的尺寸相对较小，这是一个可行的实施例。
其他应用是光和显示技术，其中排出的等离子体可能被充分电离以用于等离子体单元中。可以修改mhd发电机1，使得电子的闭合漂移回路位于谐振腔内，从而提供用于产生微波的磁控管型振荡器。
在不希望将本发明的mhd发电机1连接到使用排出气体的独立系统的情况下，可以通过发电机将气体再循环以用于进一步的电荷分离，直到带电粒子的动量太低而不能有效地回收任何剩余的能量为止。
在本发明的实施例中，热回收机制耦接到mhd发电机1，以利用来自等离子体生成过程的额外热量进行发电。热辐射可以显著降低mhd发电机1的效率。热回收机制回收一部分通过热辐射丢失的能量，并将能量提供给电弧喷嘴11。mhd发电机1与热回收机制的组合因此表现出足够高的效率来提供自维持等离子源，如上所述。
本发明的实施例可以被解释为燃料电池的形式。为了简化说明，考虑使用氧将氢之类燃料氧化而产生电位的传统燃料电池。
燃料电池包含三个区域-阳极、阴极和将两者隔开的质子交换膜。燃料电池通过在电池的阳极处氧化氢而运行。氧化是通过嵌入膜中的催化剂(通常为铂)来进行。膜是特别设计的物质，使得离子可以通过它，但电子不能。
氢的氧化产生带正电荷的氢离子，其通过膜并向阴极行进，而从氢中丢失的电子被膜俘获以通过外部电路传导，从而产生电流。
在阴极处，氧与氢离子和来自外部电路的电子结合以形成水作为排出产物。因而完成外部电路。
质子交换膜是燃料电池中最复杂、最昂贵的部件，因为它要求阻断电子并允许正离子通过它。
图4示出了本发明的第三实施例，其可以表征为燃料电池，其中膜被去除并被前述的电荷分离机制所代替。这种替换将有效地降低燃料电池的复杂度和成本。
在该实施例中，包括电子和正铝离子的低密度铝等离子体通过喷嘴11被推进到腔室20的内部区域21中。由布置成具有相同取向的一对环形磁体50产生磁场，从而形成连续的磁极组，该磁极组的顺序为沿着装置的第一轴线观察为南、北、南和北。
由该布置产生的磁场产生轴向场，该轴向场在直接在一对环形磁体50之间延伸的环形区域中最强。当等离子体的电子和正离子在窄椎体中从喷嘴11向外扩展时，粒子运动的径向分量垂直于轴向场，并且洛伦兹力施加在每个带电粒子上。
因此，沿着第一轴从第一环形形磁体51的北极指向第二环形磁体52的南极的磁场因此用作使正离子和电子分别相对于第一轴线沿逆时针方向和顺时针方向偏移。选择磁场的强度使得电子偏移到闭合的漂移回路中，并且正离子基本上不受干扰地继续进入腔室20的外部区域22。
等离子体内的电荷的分离起到沿径向向内的方向建立电场的作用，该径向向内的方向为从包含未偏移的正离子的外部区域22到包含偏移的电子的内部区域21。因此，在平行于第一轴的磁场和由电荷分离建立的径向向内的电场的影响下，多个电子相对于第一轴线沿顺时针方向漂移。电子的运动可以被描述为沿顺时针方向延伸的漂移矢量周围的快速回旋轨道。
环形的第一电极31位于腔室的外部区域周围，并通过负载连接到第二电极32，该第二电极32由腔室的内部区域中的喷嘴11形成或以其它方式与腔室的内部区域中的喷嘴11位于同一位置。电子的闭合漂移回路在内室21和外室22之间建立电荷分离。产生的径向电场驱动电子从第二电极32流向第一电极31。氧气被推进通过腔室20的外部区域22，使得外部腔室中的正铝离子与氧原子结合并从第一电极31收集电子以形成中性al2o3。
因此，电流可以从第一电极31被驱动到第二电极32，通过负载来发电。该设备可以表征为质子交换膜被磁场替代的发电燃料电池。
可以理解的是，在输入流体是任何合适的燃料/氧化剂组合的情况下，类推的燃料电池是有效的，但是类推可以扩展到覆盖以放热反应的一般情况所提供的多种反应物(即反应在能量上是有利的)。多种反应物可以是两种或更多种反应物。在另一个实施方案中，可以使用单元推进剂如肼(n2h4)。肼在热力学上是不稳定的，因此可以在低压下通过催化剂分解以产生形成电荷分离基础的正h+离子和电子。
在一些实施例中，周围的低密度等离子体可以通过移动装置通过低密度等离子体而被推进穿过腔室20。因此，入口10可以收集周围的低密度等离子体，例如像通常在电离层中发现的稀薄的星际等离子体或大气等离子体。
参照图5，示出了实施本发明的电荷分离机制的近地轨道轨道(leo)推进器2的第四实施例，其包括通向腔室20的入口10，用于在腔室内产生磁场的装置，与中和器34连接的电极32和栅格离子推进器60。
leo推进器2的入口10形成为宽的开口，以收集由于移动leo推进器2通过周围的等离子体而入射的周围的低压等离子体。入口10和腔室20以与leo推进器2的运动方向对齐的第一轴线为中心。由于推进器2与周围的等离子体之间的相对运动，低压等离子体沿着第一轴线通过腔室20。环境等离子。从推进器2的参照系开始，低密度等离子体沿着第一轴线流入入口10并通过腔室20。
如上所述，腔室20内的磁场通过外部环形磁体51、52与中心条形磁体53、54的布置而产生。在leo推进器2的实施例中，可以实施用于产生上文所述的磁场的任何装置。
相对于等离子体通过leo推进器2的相对运动，栅格离子推进器60包括一对多孔栅格61、62，每个多孔栅格61、62均布置在垂直于第一轴线并位于腔室20的下游的平面中。在两个栅格61、62之间建立电势差，使得该对中的第一“屏蔽(screen)”栅格61带正电，并且该对中的第二“加速器”栅格62带负电。栅格离子推进器60布置为使得相对运动导致低密度等离子体穿过屏蔽栅格61，接着通过加速器栅格62。
电极32位于腔室内的中央，并连接到位于栅格离子推进器60下游的中和器34。中和器34是被配置为从leo推进器2的后部发射多个电子的阴极。
第四实施例的leo推进器2提供一种装置，用于推进在近地轨道(leo运载工具)中移动的运载工具。leo运载工具移动通过高层大气(特别是热电离层或外大气层)，并因而经受少量的大气阻力。因此，leo运载工具需要推进力来保持稳定的近地轨道。
上部热电离层和下部外大气层共同组成了电离层，高度大约在85km到600km之间，在该区域中，大气层至少部分被太阳辐射电离。电离层的粒子密度约在1010m-3至1015m-3之间，并且可以被紫外太阳辐射电离高达约1％，这导致主要为较低高度上的no和较高高度上的o2的电离。因此电离层是具有低粒子密度的等离子体。电离层等离子体包括多个电子和多个正离子，例如o+和no+。类似的大气条件可以在另一个行星(例如火星或金星)的大气层中找到，并且本发明的实施例可以适用于表现出这种条件的任何大气层。
穿过室20的低密度等离子体的电子被磁场偏移。如上所述，在一对环形磁体51、52和一对条形磁体53、54的相似磁极彼此相对的区域中，磁场基本上是径向的。等离子体通过腔室20的初始运动方向基本上沿着第一轴线。等离子体带电粒子上的洛仑兹力作用于垂直于磁场和运动方向的方向上。沿着第一轴线行进的带电粒子受到沿顺时针方向或逆时针方向起作用的力。
磁场将使带电粒子在垂直于磁场的平面内遵循大致为圆形的路径。由于磁场的发散，路径不完全是圆形的。圆周运动轨道的半径与粒子质量和粒子速度成正比。因此，电子轨道将比以相同速度行进的相对较大的正离子的轨道小得多。电子轨道的半径将比正离子的轨道半径小至少1000倍。
因此，可以选择磁场的强度，使得进入的等离子体中的电子被俘获在腔室20内的圆形轨道中，而正离子在腔室20的长度上基本上不偏移。电子被俘获在磁场的尖端区域。被俘获电子的轨道的频率称为回旋频率或回磁频率。
电子的偏移沿着腔室20的第一轴线建立了电荷分离。在腔室20的下游端流动的等离子体具有较高比例的正离子。腔室20的下游端相对于上游端整体来说获得正电荷。通过在腔室20中分离电荷来建立电场。
建立的电场基本平行于第一轴线。电场的方向为从腔室20的下游端朝向入口10。电场沿着垂直于尖端区域中的磁场的方向起作用，在该尖端区域中，磁场基本上是径向的。电场和垂直磁场引起方位角霍尔电流流过腔室20中的等离子体。使俘获在磁场的尖端区域中的电子沿垂直于磁场和建立的电场的方向漂移。电子继续围绕沿漂移方向移动的引导中心进行轨道运动。电子的引导中心在腔室的第一轴线周围沿方位角方向、顺时针方向或逆时针方向漂移。以这种方式，电子被偏移以进入环绕腔室20的第一轴线的闭合漂移回路。
使多个俘获的电子围绕第一轴线而在霍尔电流中循环。循环通过等离子体的霍尔电流引起等离子体的焦耳热。导电等离子体抵抗电子的流动并因此产生热量。电子的动能被转换成等离子体的热能。加热低密度等离子体增加了构成等离子体的粒子(包括中性粒子)的能量。
俘获的电子可以与通过腔室20的等离子体中的中性粒子碰撞。与中性粒子的碰撞可以使电子失效，使粒子电离。等离子体中的一部分中性粒子以这种方式被俘获的电子电离。进入的等离子体的电离百分比在其穿过腔室时增加。低密度等离子体在下游端的电离百分比高于入口处。
随着等离子体温度的升高，中性粒子更容易被电离。因此随着等离子体流过电子的闭合漂移回路，加热等离子体增加了电离的速率。另外，由中性粒子电离释放的电子也被磁性尖端俘获在闭合漂移回路中。随着更多的电子被捕获在霍尔电流中，电离率因此可以随着时间的推移而改善。
随时间推移而增加的电离百分比导致在腔室20的下游端处更多数量的正离子。因此，通过分离电荷产生的电场的强度将随时间而增加。可以在没有产生初始场的情况下建立基本上是轴向的电场。
在腔室20中建立的电场基于正离子的流而起作用。因此，电场基于leo推进器2通过周围的等离子体的运动而起作用。电场起着降低leo推进器2的动能的作用，并且在腔室20内的低密度等离子体中产生热能。这样产生的热能通过与俘获在磁性尖端中的电子进行碰撞而引起等离子体的电离化增加。从腔室20中移出并通过栅格离子推进器60的低密度等离子体的流因此具有更多数量的正离子，所述正离子基本上未偏移地通过腔室20。
屏蔽栅格61和加速器栅格62之间的电势差平行于leo推进器2的第一轴线而产生从屏蔽栅格61指向加速器栅格62的均匀电场。在通过屏蔽栅格61的多个正离子通过加速器栅格62之前，电场对其进行加速。多个正离子的加速度施加往复力以推进leo推进器2。
由于离开腔室20的大量正离子，本发明的leo推进器2可以通过栅格离子推进器60而更有效地进行加速。leo推进器2通过周围的等离子体的运动在腔室20内产生热量，这增加了流过腔室20的等离子体的电离率。增加的电离率导致更多数量的正离子穿过栅格离子推进器60，从而改善了leo推进器2的加速度。
电极32收集已经偏移到闭合漂移回路中或者由于负电荷的集中而被排斥进入腔室20的多个电子。leo推进器2的腔室20中的电荷分离驱动电子流向中和器34，其中，电子从推进器2的后部发射。发射的电子与从leo推进器2推出的低能量等离子体混合，并恢复电子和正离子的相等比例。
根据本实施例的发明提供了一种leo推进器2，其能够使用纯电形式的推进将leo运载工具保持在轨道中。更具体地说，本发明的leo推进器2可以被描述为“大气呼吸(airbreathing)”形式的推进，其中，电能被用来直接向通过leo推进器2的气流传递额外的动能。低能量等离子体中的电荷分离机制允许主要带正电的等离子体流以均匀的电场进行加速。
leo推进器2的磁场配置允许电荷分离机制在广泛的外部条件下有效。与具有类似强度的均匀磁场相比，磁场的径向尖端几何形状可以偏移并俘获具有宽范围的初始速度和运动方向的入射电子。磁场对由场所俘获的电子起驱散作用的扰动(例如，被俘获的电子之间的碰撞)也是耐用(robust)的。
在替代实施例中，栅格离子推进器60可以包括三个或更多个栅格，或类似于上述一对栅格61、62的一连串成对栅格。可选地，可以实现其他装置，该装置产生用于对多个正离子进行加速的电场。
尽管已经示出和描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的情况下可以对这些实施例进行改变，本发明的范围在所附权利要求中限定。不同实施例的各种组件可以在实施例所基于的原理是可兼容的情况下进行组合。例如，各种不同的等离子体类型和电极配置可以应用能够实现合适的电荷分离效应的各种磁场分布。期望的电荷分离效应可取决于例如所需要产生的电压的大小或可用等离子体的量或类型。
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