Bardziej wydajny silnik kosmiczny wykorzystuje nanorurki węglowe

Systemy napędu jonowego napędzały kilka statków kosmicznych okrążających Ziemię i międzyplanetarnych w ciągu ostatnich 50 lat. Teraz naukowcy z Georgia Institute of Technology opracowują wydajniejsze silniki jonowe, które wykorzystują nanorurki węglowe jako istotny element.

Wydajne emitery: Mikrografia kwadratowej macierzy nanorurek węglowych na płytce krzemowej o wymiarach jeden na jeden centymetr. Macierze są przeznaczone do użytku w katodzie eksperymentalnej.

Napęd jonowy działa poprzez przyspieszanie naładowanych elektrycznie lub zjonizowanych cząstek do napędzania statku kosmicznego. Jeden z najpopularniejszych silników jonowych, znany jako ster strumieniowy z efektem Halla, jonizuje gaz za pomocą elektronów uwięzionych w polu magnetycznym. Powstałe jony są następnie przyspieszane z wykorzystaniem potencjału utrzymywanego między anodą a katodą. Ale niektóre z emitowanych elektronów muszą być również użyte do neutralizacji jonów w pióropuszu emitowanym przez statek kosmiczny, aby zapobiec naładowaniu elektrycznemu statku kosmicznego. Istniejące silniki z efektem Halla muszą zużywać około 10 procent ksenonowego gazu pędnego statku kosmicznego, aby wytworzyć elektrony potrzebne zarówno do uruchomienia silnika, jak i zneutralizowania wiązki jonów.

Badacze z Georgia Tech stworzyli katodę emisji polowej do silnika za pomocą nanorurek węglowych. W tego typu katodzie elektrony są emitowane po przejściu przez barierę potencjału. Konstrukcja nanorurek węglowych jest szczególnie wydajna, ponieważ nanorurki są niezwykle wytrzymałe i przewodzą prąd elektryczny. Używając nanorurek węglowych, możemy uzyskać wszystkie potrzebne nam elektrony bez użycia paliwa, mówi Mitchell Walker , kierownik projektu projekt oraz adiunkt w Laboratorium napędów elektrycznych dużej mocy w Georgia Tech. Oznacza to, że 10 procent więcej paliwa pędnika jonowego jest dostępne dla rzeczywistej misji, wydłużając żywotność statku kosmicznego.

Możemy wyciągnąć elektrony z wierzchołka materiału przy napięciu mniejszym niż 0,25 wolta na mikron, co sprawia, że ​​system jest niezwykle wydajny, mówi Jud gotowy , współkierownik projektu. W przeciwieństwie do tego, wydrążone katody tradycyjnie używane w pędnikach jonowych wymagają ciężkiej elektroniki i muszą być podgrzewane do tysięcy stopni, aby uzyskać wystarczające napięcie.

Ponadto, ponieważ nanorurki są cienkie i lekkie, można je nakładać na powierzchnię korpusu pędnika, potencjalnie umożliwiając statkowi kosmicznemu przenoszenie większych ładunków i dopasowanie do mniejszych pojazdów nośnych. Walker przedstawił artykuł na temat nowej katody na początku tego roku w Konferencja i wystawa „Wspólne napędy” w Denver i twierdzi, że nowy system może być gotowy do uruchomienia za trzy do pięciu lat.

Lepszy ciąg: Katoda z nanorurek węglowych jest zamontowana na eksperymentalnym układzie wewnątrz pędnika jonowego.

Badanie nanorurek węglowych pod kątem katod jest stosunkowo nowym podejściem, ale jednym z kilku zbadanych w ciągu ostatniej dekady, mówi Michael Patterson, główny badacz nowego systemu napędu jonowego, który jest częścią ewolucyjnego ksenonowego ciągu NASA (NEXT). program. Badacze w NASA Glenn Research Center zbadali zastosowanie mikrostruktur wykonanych z materiałów podobnych do diamentu, ale mieli trudności z ich użyciem. Ogólnie rzecz biorąc, mają krótki czas życia, gdy są poddawane erozyjnym środowisku lub pracują przy bardzo niskich prądach, mówi Patterson.

Aby stworzyć katody z nanorurek węglowych, naukowcy z Georgia Tech hodują wielościenne nanorurki węglowe przy użyciu plazmy zamiast konwencjonalnego chemicznego osadzania z fazy gazowej. Musimy być w stanie precyzyjnie kontrolować wysokość nanorurek węglowych, która w naszym projekcie wynosi 10 mikronów, mówi Ready.

Busek, firma zajmująca się napędami kosmicznymi z siedzibą w Natick w stanie Massachusetts, opracowuje również katody z nanorurek węglowych, które mają już certyfikat kosmiczny. Ready twierdzi, że naukowcy mają dobre relacje z firmą i byliby zainteresowani współpracą z nią w celu komercjalizacji własnej technologii.

Naukowcy z Georgia Tech zademonstrowali trwałość swoich nanorurek węglowych, pokazując, że są w stanie wytrzymać wibracje doświadczane podczas startu. Nanorurki mają żywotność ponad 368 godzin. Grupa otrzymała grant w wysokości 6,5 miliona dolarów od DARPA, działu badawczo-rozwojowego Departamentu Obrony USA, i rozpoczęła drugą fazę testów.

Nanorurki węglowe są wartościowym obszarem badań, który może poprawić ogólną wydajność systemu, mówi Patterson. Dodaje, że katody z nanorurek węglowych mogą być najbardziej odpowiednie dla statków kosmicznych o małej mocy i małych satelitów, ponieważ standardowa technologia katodowa jest najbardziej zabroniona w tych systemach. Duża część propelentu jest marnowana na katodzie.

ukryć