Efficiëntere ruimtemotor maakt gebruik van koolstofnanobuisjes

Ionenvoortstuwingssystemen hebben de afgelopen 50 jaar een handvol ruimtevaartuigen in een baan om de aarde en interplanetaire ruimtevaartuigen voortgestuwd. Nu ontwikkelen onderzoekers van het Georgia Institute of Technology efficiëntere ionenmotoren die koolstofnanobuisjes gebruiken voor een essentieel onderdeel.

Efficiënte emitters: Een microfoto van vierkante arrays van koolstofnanobuisjes op een siliciumwafeltje van één centimeter bij één centimeter. De arrays zijn ontworpen voor gebruik in een experimentele kathode.

Ionenvoortstuwing werkt door elektrisch geladen of geïoniseerde deeltjes te versnellen om een ​​ruimtevaartuig voort te stuwen. Een van de meest voorkomende ionenmotoren, bekend als een Hall-effect-thruster, ioniseert gas met behulp van elektronen die in een magnetisch veld zijn opgesloten. De resulterende ionen worden vervolgens versneld met behulp van de potentiaal die tussen een anode en een kathode wordt gehandhaafd. Maar sommige van de uitgezonden elektronen moeten ook worden gebruikt om de ionen in de pluim die door het ruimtevaartuig wordt uitgezonden te neutraliseren, om te voorkomen dat het ruimtevaartuig elektrisch wordt geladen. Bestaande stuwraketten met Hall-effect moeten ongeveer 10 procent van het xenongas van het ruimtevaartuig gebruiken om de elektronen te creëren die nodig zijn om zowel de motor te laten draaien als de ionenstraal te neutraliseren.

De Georgia Tech-onderzoekers creëerden een veldemissiekathode voor de boegschroef met behulp van koolstofnanobuisjes. In dit type kathode worden elektronen uitgezonden nadat ze door een potentiaalbarrière zijn getunneld. Het ontwerp van koolstof nanobuisjes is bijzonder efficiënt omdat nanobuisjes ongelooflijk sterk en elektrisch geleidend zijn. Door koolstofnanobuisjes te gebruiken, kunnen we alle elektronen krijgen die we nodig hebben zonder drijfgas te gebruiken, zegt Mitchell Walker , hoofdonderzoeker van het project en een assistent-professor in de Laboratorium voor krachtige elektrische voortstuwing bij Georgia Tech. Dit betekent dat 10 procent meer van het drijfgas van de ionenschroef beschikbaar is voor de eigenlijke missie, waardoor de levensduur van een ruimtevaartuig wordt verlengd.

We kunnen de elektronen uit de punt van het materiaal trekken met minder dan 0,25 volt per micron, wat zorgt voor een enorm efficiënt systeem, zegt Jud Klaar , hoofdonderzoeker van het project. Daarentegen vereisen de holle kathoden die conventioneel worden gebruikt in ionenstuwers zware elektronica en moeten ze tot duizenden graden worden verwarmd om de ruime spanning te verkrijgen.

Omdat de nanobuisjes dun en licht van gewicht zijn, kunnen ze bovendien op het oppervlak van het boegschroeflichaam worden aangebracht, waardoor het ruimtevaartuig mogelijk grotere ladingen kan vervoeren en op kleinere lanceervoertuigen kan passen. Walker presenteerde eerder dit jaar een paper over de nieuwe kathode op de Gezamenlijke voortstuwingsconferentie en tentoonstelling in Denver en zegt dat het nieuwe systeem over drie tot vijf jaar klaar zou kunnen zijn voor lancering.

Betere stuwkracht: Een koolstof nanobuis kathode is gemonteerd op een experimentele opstelling in een ionenmotor.

Het onderzoek van koolstofnanobuizen voor kathodes is een relatief nieuwe benadering, maar een van de vele die het afgelopen decennium zijn onderzocht, zegt Michael Patterson, de hoofdonderzoeker van het nieuwe ionenvoortstuwingssysteem dat deel uitmaakt van NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) programma. Onderzoekers bij NASA's Glenn Research Center hebben het gebruik van microstructuren van diamantachtige materialen onderzocht, maar hadden moeite om ze te gebruiken. Over het algemeen hebben ze een korte levensduur wanneer ze worden blootgesteld aan erosieve omgevingen of werken ze op zeer lage stromen, zegt Patterson.

Om de koolstof-nanobuiskathodes te maken, kweken de Georgia Tech-onderzoekers de meerwandige koolstofnanobuisjes met plasma in plaats van conventionele chemische dampafzetting. We moeten de hoogte van de koolstofnanobuisjes nauwkeurig kunnen regelen, die voor ons ontwerp 10 micron is, zegt Ready.

Busek, een ruimtevaartbedrijf gevestigd in Natick, MA, ontwikkelt ook koolstof-nanobuiskathodes die al ruimtegecertificeerd zijn. Ready zegt dat de onderzoekers een goede relatie hebben met het bedrijf en geïnteresseerd zouden zijn om met het bedrijf samen te werken om hun eigen technologie te commercialiseren.

De Georgia Tech-onderzoekers hebben de duurzaamheid van hun koolstofnanobuisjes aangetoond door aan te tonen dat ze de trillingen die tijdens de lancering worden ervaren, kunnen overleven. De nanobuisjes hebben een levensduur van ruim 368 uur. De groep heeft een subsidie ​​van $ 6,5 miljoen ontvangen van DARPA, de onderzoeks- en ontwikkelingsafdeling van het Amerikaanse ministerie van Defensie, en is begonnen met een tweede testfase.

Koolstofnanobuisjes zijn een waardevol onderzoeksgebied dat de algehele systeemprestaties zou kunnen verbeteren, zegt Patterson. Hij voegt eraan toe dat koolstof-nanobuis-kathodes het meest geschikt zijn voor ruimtevaartuigen met een laag vermogen en kleine satellieten, omdat de standaard kathodetechnologie het meest verbiedt voor deze systemen. Een groot deel van het drijfgas gaat verloren aan de kathode.

zich verstoppen