Forbedret elektrisk fremdrift kan øge satellitlevetiden

(PhysOrg.com) - Forskere ved Georgia Institute of Technology har vundet en bevilling på $6,5 millioner til at udvikle forbedrede komponenter, der vil øge effektiviteten af ​​elektriske fremdriftssystemer, der bruges til at kontrollere positionerne af satellitter og planetariske sonder.

Med fokus på forbedrede katoder til enheder kendt som Hall-effekt thrustere, forskningen vil reducere drivmiddelforbruget i kommerciel, regerings- og militærsatellitter, lader dem forblive i kredsløb længere, blive opsendt på mindre eller billigere raketter, eller bære større nyttelast. Sponsoreret af U.S. Defense Advanced Research Projects Agency Defense Sciences Office (DARPA-DSO), det 18-måneders projekt søger at demonstrere brugen af ​​drivmiddelløse katoder med Hall-effekt thrustere.

"Omkring 10 procent af drivmidlet, der transporteres ud i rummet på satellitter, der bruger et elektrisk fremdriftssystem, er i det væsentlige spildt i den hule katode, der er en del af systemet, " sagde Mitchell Walker, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Aerospace Engineering og projektets hovedefterforsker. "Ved brug af feltemission i stedet for en hul katode, vi er i stand til at trække elektroner fra katode arrays lavet af kulstof nanorør uden at spilde drivmiddel. Det vil forlænge køretøjets levetid ved mere effektivt at bruge det begrænsede indbyggede drivmiddel til dets tilsigtede fremdriftsformål."

For at bevare deres positioner i rummet eller for at omorientere sig selv, satellitter skal bruge små thrustere, der enten er kemisk eller elektrisk drevne. Elektrisk drevne thrustere bruger elektroner til at ionisere en inert gas såsom xenon. De resulterende ioner udstødes derefter fra enheden for at generere tryk.

I eksisterende Hall-effekt thrustere, en enkelt højtemperatur katode genererer elektronerne. En del af drivmidlet - typisk omkring 10 procent af den begrænsede forsyning, som satellitten bærer - bruges som arbejdsvæske i den traditionelle hule katode. Den DARPA-finansierede forskning ville erstatte den hule katode med en række felteffektkatoder fremstillet af bundter af flervæggede kulstofnanorør. Drevet af indbyggede batterier og fotovoltaiske systemer på satellitten, arrays ville fungere ved lav effekt for at producere elektroner uden at forbruge drivmiddel.

Walker og samarbejdspartnere ved Georgia Tech Research Institute (GTRI) har allerede demonstreret felt-effekt katoder baseret på kulstof nanorør. Dette arbejde blev præsenteret på 2009 AIAA Joint Propulsion Conference afholdt i Denver, Colo. Den ekstra finansiering vil understøtte forbedringer af enhederne, kendt som kulstof nanorør kolde katoder, og føre til rumtest allerede i 2015.

"Dette arbejde afhænger af vores evne til at dyrke tilpassede kulstofnanorør præcis hvor vi ønsker, at de skal være, og til krævende dimensioner, " sagde Jud Ready, en GTRI senior forskningsingeniør og Walkers samarbejdspartner på projektet. "Dette projekt udnytter vores evne til at dyrke velafstemte arrays af nanorør og at belægge dem for at forbedre deres feltemissionsydelse."

Ud over at reducere forbruget af drivmiddel, brug af carbon nanorør katode arrays kunne forbedre pålideligheden ved at erstatte den enkelte katode nu brugt i thrusterne.

"Eksisterende katoder er følsomme over for forurening, beskadiget af den ioniserede udstødning fra thrusteren, og har begrænset levetid på grund af deres høje temperaturer, " Ready noteret. "Carbon nanorør katode arrays ville give en distribueret katode omkring Hall effekt thrusteren, så hvis en af ​​dem er beskadiget, vi vil have redundans."

Før kulstofnanorør-katoderne udviklet af Georgia Tech kan bruges på satellitter, imidlertid, deres levetid skal forlænges for at matche en satellitthrusters levetid, som typisk er 2, 000 timer eller mere. Enhederne skal også modstå de mekaniske belastninger fra rumopsendelser, tænde og slukke hurtigt, fungere konsekvent og overleve det aggressive rummiljø.

En del af indsatsen vil fokusere på specielle belægningsmaterialer, der bruges til at beskytte kulstofnanorørene mod rummiljøet. For den del af projektet, Walker og Ready samarbejder med Lisa Pfefferle i Department of Chemical Engineering på Yale University.

Forskerne tester deres katoder med den samme Busek Hall effekt thruster, som fløj på det amerikanske luftvåbens TacSat-2 satellit. Ud over, katoderne vil blive betjent med Hall effekt thrustere udviklet af Pratt &Whitney og doneret til Georgia Tech. Forskerne samarbejder også med L-3 ETI om det elektriske strømsystem og med American Pacific In-Space Propulsion om flyvekvalificering af hardwaren.

Evnen til at styre individuelle katoder på arrayet kunne give en ny evne til at vektorere fremdriften, potentielt erstatte de mekaniske kardankardanser, der nu bruges.

Brugen af ​​kulstofnanorør til at generere elektroner gennem felteffektprocessen blev rapporteret i 1995 af et forskerhold ledet af Walt de Heer, en professor ved Georgia Tech's School of Physics. Feltemission er udvinding af elektroner fra et ledende materiale gennem kvantetunneling, der opstår, når et eksternt elektrisk felt påføres.

The improved carbon nanotube cathodes should advance the goals of reducing the cost of launching and maintaining satellites.

"Thrust with less propellant has been one of the major goals driving research into satellite propulsion, "ť said Walker, who is director of Georgia Tech's High-Power Electric Propulsion Laboratory. "Electric propulsion is becoming more popular and will benefit from our innovation. Ultimately, we will help improve the performance of in-space propulsion devices."

Provided by Georgia Institute of Technology