211service.com
Effektivare rymdmotor använder kolnanorör
Jonframdrivningssystem har drivit fram en handfull rymdfarkoster som kretsar runt jorden och interplanetära rymdskepp under de senaste 50 åren. Nu utvecklar forskare vid Georgia Institute of Technology mer effektiva jonpropeller som använder kolnanorör som en viktig komponent.
Effektiva sändare: Ett mikrofotografi av kvadratiska uppsättningar av kolnanorör på en en centimeter gånger en centimeter kiselwafer. Arrayerna är designade för användning i en experimentell katod.
Jonframdrivning fungerar genom att accelerera elektriskt laddade eller joniserade partiklar för att driva ett rymdskepp. En av de vanligaste jonmotorerna, känd som en Hall Effect thruster, joniserar gas med hjälp av elektroner fångade i ett magnetfält. De resulterande jonerna accelereras sedan med användning av potentialen som upprätthålls mellan en anod och en katod. Men en del av de emitterade elektronerna måste också användas för att neutralisera jonerna i plymen som emitteras från rymdfarkosten, för att förhindra att rymdfarkosten blir elektriskt laddad. Befintliga Hall Effect-propeller måste använda cirka 10 procent av rymdfarkostens xenongasdrivmedel för att skapa de elektroner som behövs för att både driva motorn och neutralisera jonstrålen.
Georgia Tech-forskarna skapade en fältemissionskatod för thrustern med hjälp av kolnanorör. I denna typ av katod emitteras elektroner efter att de tunnlat genom en potentialbarriär. Kolnanorörsdesignen är särskilt effektiv eftersom nanorören är otroligt starka och elektriskt ledande. Genom att använda kolnanorör kan vi få alla elektroner vi behöver utan att använda något drivmedel, säger Mitchell Walker , huvudutredare för projektet och en biträdande professor i Laboratorium för elektrisk framdrivning med hög effekt på Georgia Tech. Det betyder att 10 procent mer av jonpropellerns drivmedel är tillgängligt för själva uppdraget, vilket förlänger en rymdfarkosts livslängd.
Vi kan dra elektronerna från spetsen av materialet med mindre än 0,25 volt per mikron, vilket ger ett oerhört effektivt system, säger Jud Ready , huvudutredare för projektet. Däremot kräver de ihåliga katoderna som konventionellt används i jonpropeller tung elektronik och måste värmas upp till tusentals grader för att erhålla den rikliga spänningen.
Dessutom, eftersom nanorören är tunna och lätta, kan de appliceras på ytan av propellerkroppen, vilket potentiellt tillåter rymdfarkosten att bära större nyttolaster och passa på mindre uppskjutningsfordon. Walker presenterade ett papper om den nya katoden tidigare i år på Joint Propulsions konferens och utställning i Denver och säger att det nya systemet kan vara redo att lanseras om tre till fem år.
Bättre dragkraft: En kolnanorörskatod är monterad på en experimentell uppställning inuti en jonpropeller.
Undersökningen av kolnanorör för katoder är ett relativt nytt tillvägagångssätt, men ett av flera som har undersökts under det senaste decenniet, säger Michael Patterson, huvudutredaren för det nya jonframdrivningssystemet som är en del av NASA:s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) program. Forskare vid NASA:s Glenn Research Center har undersökt användningen av mikrostrukturer gjorda av diamantliknande material, men har haft svårt att använda dem. Generellt har de en kort livslängd när de utsätts för erosiva miljöer eller körs med mycket låga strömmar, säger Patterson.
För att skapa kol-nanorör-katoder, odlar forskarna från Georgia Tech de flerväggiga kolnanorören med hjälp av plasma istället för konventionell kemisk ångavsättning. Vi måste kunna finkontrollera höjden på kolnanorören, som för vår design är 10 mikron, säger Ready.
Busek, ett rymdframdrivningsföretag baserat i Natick, MA, utvecklar också kol-nanorör-katoder som redan är rymdcertifierade. Ready säger att forskarna har en bra relation med företaget och skulle vara intresserade av att arbeta med det för att kommersialisera sin egen teknik.
Georgia Tech-forskarna har visat hållbarheten hos sina kolnanorör genom att visa att de kan överleva vibrationerna som upplevs under lanseringen. Nanorören har en livslängd på över 368 timmar. Gruppen har fått ett anslag på 6,5 miljoner dollar från DARPA, forsknings- och utvecklingsavdelningen inom det amerikanska försvarsdepartementet, och har påbörjat en andra testfas.
Kolnanorör är ett värdigt forskningsområde som kan förbättra systemets övergripande prestanda, säger Patterson. Han tillägger att kol-nanorör-katoder kan vara mest lämpade för rymdfarkoster med låg effekt och små satelliter eftersom standardkatodtekniken är mest förbjuden på dessa system. En stor del av drivmedlet slösas bort på katoden.