En ny dragkraftsteknik för nanosatelliter kan göra dem mer effektiva

En bild av en raket som lyfter NASA

Redan 1964 lanserade Sovjetunionen en rymdfarkost kallad Zond 2 mot Mars. Dess uppdrag var att kretsa runt den röda planeten, fotografera ytan, leta efter tecken på metan i atmosfären och släppa en farkost för att landa på ytan.

Men flera månader efter lanseringen misslyckades Zond 2:s besvärliga strömförsörjning. Sovjet tappade kontakten med farkosten och hörde aldrig av sig igen. Idag ses uppdraget till stor del som ett misslyckande - ett av många när det gäller Mars.

Men Zond 2 hade ett annat mål. Rymdskeppet var försett med sex revolutionerande propeller för attitydkontroll. Kända som plasmajetmotorer, hade dessa enheter aldrig använts i rymden. Men under olika tester efter lanseringen visade Zond 2 att de kunde fungera.

Sedan dess har olika rymdfarkoster förlitat sig på denna form av framdrivning (och på en något annorlunda form med jonpropeller). Dessa motorer har betydande fördelar jämfört med konventionella kemiska raketer eftersom de är enklare, lättare och effektivare.

De är också betydligt mindre än kemiska thrusters. Det gör dem användbara för tillverkare av nanosatelliter - de allt vanligare rymdfarkosterna med en massa som är mindre än 10 kilogram, som ofta är lite större än en Rubiks kub.

Men plasmamotorer är inte perfekta. Att förvandla drivmedlet ombord till plasma och kontrollera dess flöde kan vara en knepig affär som slösar energi och ibland skadar själva motorn. Så att hitta sätt att förbättra plasmadrivkraftsmotorer är av stort intresse för småsatellittillverkare.

Ange Adam Patel och kollegor från Purdue University i West Lafayette, Indiana. De här killarna har kommit på en ny design för en plasmapropeller som är lika liten som sina föregångare som har potential att bli ännu mer pålitlig och effektiv.

Först lite bakgrund om drivmedlet som plasmapropeller förlitar sig på. De flesta använder ett fast drivmedel som polytetrafluoreten, annars känd som teflon. Det är lätt att lagra, men för att användas måste det förångas genom att en ström passerar genom ytan.

Ångan antänds sedan, vilket skapar en överslag som förvandlar den till ett plasma. Plasmat passerar sedan genom ett elektromagnetiskt fält, där det upplever en accelererande kraft som driver rymdfarkosten i motsatt riktning.

Problemet är att denna ablation är en hit-and-miss-process. Hastigheten är svår att kontrollera, och detta kan göra dragkraften ojämn. Teflonytan bryts också ibland ner och sprutar ut skräp i form av makropartiklar som stör motorns drift.

Dessutom kan tändaren som utlöser övertändningsprocessen skadas med tiden. Alla dessa problem begränsar i slutändan effektiviteten hos plasmapropellerna för fast bränsle till mindre än 15 %.

Ett sätt att kringgå detta är att lagra drivmedlet som en gas och kontrollera dess utsläpp med ett gasinsprutningssystem. Detta ökar motorns verkningsgrad med upp till 70 %. Men dessa system är skrymmande och komplexa, och själva gasen har en betydligt större volym än en motsvarande fast massa. Det gör det svårt att bygga in en nanosat.

Nu säger Patel och co att de kan fixa dessa problem med hjälp av ett flytande drivmedel. En vätskematad pulsad plasmapropeller skulle potentiellt kunna övervinna flera nackdelar som är förknippade med traditionella pulsade plasmapropelleranordningar, säger de.

Faktum är att de har byggt ett proof-of-princip mikroframdrivningssystem som matas av vätska och sätter det genom sina steg i en vakuumkammare. Som drivmedel använder de pentafenyltrimetyltrisiloxan (C33H34O2Si3), en trögflytande vätska med lågt ångtryck som också är ett utmärkt dielektrikum.

Teamet designade också ett nytt lågenergitändningssystem. Denna består av två plattelektroder åtskilda av ett dielektrikum. Det fungerar genom att öka spänningen över plattorna till ett tröskelvärde vid vilket dielektrikumet förångas och blir plasma.

I detta fall är dielektrikumet det flytande drivmedlet. Plasman kommer sedan in i de elektromagnetiska fälten, där den accelererar.

Fördelen med denna typ av tändare är att tröskelspänningen alltid är densamma, och därför är mängden energi som krävs för övertändning alltid begränsad. Detta begränsar den potentiella skadan på övertändningsenheten över tiden.

I tester använde Patel och co tändaren för uppemot 1,5 miljoner övertändningshändelser utan att observera några betydande skador på enheten. Andra konstruktioner kan ibland misslyckas efter bara 400 tändcykler.

Patel och co fortsatte med att mäta plasmaavgashastigheten vid 32 kilometer per sekund. Detta gjorde det möjligt för dem att beräkna att motorn producerar en respektabel dragkraft på upp till 5,8 newton.

Det är ett solidt första steg mot bättre mikroframdrivningssystem för nanosatelliter.

Det finns dock mer utvecklingsarbete framför oss. En viktig uppgift blir att designa och bygga ett enkelt vätskematningssystem som fungerar tillförlitligt utan tyngdkraft. I dessa experiment injicerade forskarna vätskan i tändaren för hand med hjälp av en spruta.

Det är inte svårt att föreställa sig hur det skulle kunna automatiseras, men vätskor är notoriskt svåra att kontrollera i noll G. Så Patel och co kommer att få ner sitt arbete med att utveckla ett enkelt system som satellittillverkare kan lita på. Men däri ligger en annan berättelse.

Patel och co har säkert större ambitioner eller sin enhet. Resultaten av detta dokument ger värdefull information för att möjliggöra utvecklingen av en flygfärdig vätskedriven pulsad plasmapropeller, säger de. Det ska bli intressant att se hur de gör det.

Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Vätskematad pulsad plasmapropell för framdrivning av nanosatelliter

Dölj