Een nieuwe stuwkrachttechnologie voor nanosatellieten zou ze efficiënter kunnen maken

Een afbeelding van een opstijgende raket NASA

In 1964 lanceerde de Sovjet-Unie een ruimtevaartuig genaamd Zond 2 in de richting van Mars. Zijn missie was om rond de Rode Planeet te draaien, het oppervlak te fotograferen, te zoeken naar tekenen van methaan in de atmosfeer en een ruimtevaartuig vrij te laten om op het oppervlak te landen.

Maar enkele maanden na de lancering faalde de lastige stroomvoorziening van Zond 2. De Sovjets verloren het contact met het vaartuig en hoorden er nooit meer iets van. Tegenwoordig wordt de missie grotendeels als een mislukking beschouwd - een van de vele als het om Mars gaat.

Maar Zond 2 had nog een doel. Het ruimtevaartuig was uitgerust met zes revolutionaire stuwraketten voor houdingscontrole. Deze apparaten, bekend als plasmastraalmotoren, waren nog nooit in de ruimte gebruikt. Maar tijdens verschillende tests na de lancering bewees Zond 2 dat ze konden werken.

Sindsdien vertrouwen verschillende ruimtevaartuigen op deze vorm van voortstuwing (en op een iets andere vorm met behulp van ionenmotoren). Deze motoren hebben aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele chemische raketten omdat ze eenvoudiger, lichter en efficiënter zijn.

Ze zijn ook aanzienlijk kleiner dan chemische stuwraketten. Dat maakt ze bruikbaar voor de makers van nanosatellieten - het steeds vaker voorkomende ruimtevaartuig met een massa van minder dan 10 kilogram, die vaak niet veel groter is dan een Rubiks kubus.

Maar plasma-stuwkrachtmotoren zijn niet perfect. Het drijfgas aan boord in plasma veranderen en de stroom ervan regelen kan een lastige zaak zijn die energie verspilt en soms zelfs de motor zelf beschadigt. Dus het vinden van manieren om plasma-stuwkrachtmotoren te verbeteren, is van groot belang voor fabrikanten van kleine satellieten.

Voer Adam Patel en collega's van de Purdue University in West Lafayette, Indiana in. Deze jongens hebben een nieuw ontwerp bedacht voor een plasma-thruster die net zo klein is als zijn voorgangers en die het potentieel heeft om nog betrouwbaarder en efficiënter te zijn.

Eerst wat achtergrondinformatie over het drijfgas waar plasma-stuwraketten op vertrouwen. De meeste gebruiken een vast drijfgas zoals polytetrafluorethyleen, ook wel bekend als teflon. Dat is gemakkelijk op te bergen, maar om te gebruiken moet het worden verdampt door een stroom door het oppervlak te laten gaan.

De damp wordt vervolgens ontstoken, waardoor een flashover ontstaat die het in een plasma verandert. Het plasma gaat dan door een elektromagnetisch veld, waar het een versnellende kracht ervaart die het ruimtevaartuig in de tegenovergestelde richting voortstuwt.

Het probleem is dat deze ablatie een wisselvallig proces is. De snelheid is moeilijk te regelen en dit kan de stuwkracht niet-uniform maken. Ook breekt het teflon-oppervlak soms af en werpt het puin uit in de vorm van macrodeeltjes die de werking van de motor verstoren.

Bovendien kan de ontsteker die het flashover-proces in gang zet na verloop van tijd beschadigd raken. Al deze problemen beperken uiteindelijk het rendement van de vastebrandstofplasma-stuwraketten tot minder dan 15%.

Een manier om dit te omzeilen is om het drijfgas als gas op te slaan en de afgifte ervan te regelen met een gasinjectiesysteem. Dit verhoogt het rendement van de motor tot 70%. Maar deze systemen zijn omvangrijk en complex, en het gas zelf heeft een aanzienlijk groter volume dan een equivalente vaste massa. Dat maakt het moeilijk om een ​​nanosat in te bouwen.

Nu zeggen Patel en co dat ze deze problemen kunnen oplossen met vloeibaar drijfgas. Een vloeistofgevoede gepulseerde plasma-thruster zou mogelijk verschillende nadelen kunnen overwinnen die gepaard gaan met traditionele gepulseerde plasma-thruster-apparaten, zeggen ze.

Ze hebben inderdaad een proof-of-principle micro-voortstuwingssysteem gebouwd dat wordt gevoed door vloeistof en dit in een vacuümkamer op de proef stelt. Als drijfgas gebruiken ze pentafenyltrimethyltrisiloxaan (C33H34O2Si3), een stroperige vloeistof met een lage dampdruk die ook een uitstekend diëlektricum is.

Het team ontwierp ook een nieuw energiezuinig ontstekingssysteem. Deze bestaat uit twee plaatelektroden gescheiden door een diëlektricum. Het werkt door de spanning over de platen te verhogen tot een drempelwaarde waarbij het diëlektricum verdampt en plasma wordt.

In dit geval is het diëlektricum het vloeibare drijfgas. Het plasma komt dan in de elektromagnetische velden, waar het versnelt.

Het voordeel van dit soort ontsteker is dat de drempelspanning altijd gelijk is, waardoor de hoeveelheid energie die nodig is voor flashover altijd beperkt is. Dit beperkt de mogelijke schade aan het flashover-samenstel in de loop van de tijd.

In tests gebruikten Patel en co de ontsteker voor meer dan 1,5 miljoen flashover-gebeurtenissen zonder enige significante schade aan het apparaat waar te nemen. Andere ontwerpen kunnen soms al falen na slechts 400 bakcycli.

Patel en co gingen verder met het meten van de plasma-uitlaatsnelheid van 32 kilometer per seconde. Hierdoor konden ze berekenen dat de motor een respectabele stuwkracht van maximaal 5,8 Newton produceert.

Dat is een stevige eerste stap naar betere microvoortstuwingssystemen voor nanosatellieten.

Er is echter meer ontwikkelingswerk in het verschiet. Een belangrijke taak is het ontwerpen en bouwen van een eenvoudig vloeistoftoevoersysteem dat betrouwbaar werkt in gewichtloosheid. Bij deze experimenten injecteerden de onderzoekers de vloeistof met de hand in de ontsteker met een injectiespuit.

Het is niet moeilijk voor te stellen hoe dat zou kunnen worden geautomatiseerd, maar vloeistoffen zijn notoir moeilijk te controleren in nul G. Dus Patel en co zullen hun werk moeten doen bij het ontwikkelen van een eenvoudig systeem waarop satellietmakers kunnen vertrouwen. Maar daarin schuilt een ander verhaal.

Patel en co hebben zeker grotere ambities of hun toestel. De resultaten van dit artikel bieden waardevolle informatie om de ontwikkeling mogelijk te maken van een vluchtklare, op vloeistof gestookte, gepulseerde plasma-thruster, zeggen ze. Het zal interessant zijn om te zien hoe ze het doen.

Referentie: arxiv.org/abs/1907.00169 : Vloeistof-gevoede gepulseerde plasma-thruster voor voortstuwing van nanosatellieten

zich verstoppen