Kulstof nanorør feltelektronemittere vil blive testet i rummet

Et par kulstof-nanorør-arrays vil flyve i rummet ved udgangen af ​​året for at teste teknologi, der kan give mere effektiv mikrofremdrift til fremtidige generationer af rumfartøjer. En del af en Cube Satellite (CubeSat) udviklet af Air Force Institute of Technology (AFIT), arrays vil understøtte, hvad der forventes at være den første rumbaserede test nogensinde af kulstofnanorør som elektronemittere.

Forskere ved Georgia Tech Research Institute (GTRI) producerede arrays ved hjælp af unik teknologi, der dyrker bundter af vertikalt justerede nanorør indlejret i siliciumchips. I fremtidige versioner af elektrisk drevne ion thrustere, elektroner udsendt fra kulstofnanorørspidserne kan bruges til at ionisere et gasformigt drivmiddel såsom xenon. Den ioniserede gas ville derefter blive slynget ud gennem en dyse for at give fremdrift til at flytte en satellit i rummet.

"Missionen vil karakterisere, hvor godt disse feltemissionselektronkilder fungerer i rummiljøet i forhold til hvor godt de fungerer på jorden i vakuumkammeret, " sagde Jud Ready, en GTRI-hovedforskningsingeniør. "Startvibrationer og eksponering for et rummiljø, der inkluderer atomart ilt og mikrometeoritter, kan have nogle usædvanlige virkninger på arrays. Denne mission vil hjælpe os med at vurdere, om disse kulstof-nanorør-elektron-emittere kan bruges i ion-thrustere."

Eksisterende ion-thrustere er afhængige af termioniske katoder, som bruger høje temperaturer genereret af elektrisk strøm til at producere elektroner. Disse enheder kræver betydelige mængder elektricitet for at generere varmen, og skal forbruge en del af drivmidlet til deres drift.

Hvis carbon nanorør-arrays kan bruges som elektronemittere, de ville fungere ved lavere temperaturer med mindre kraft – og uden at bruge det begrænsede drivmiddel om bord. Det kunne give længere missionstider for satellitter, eller reducere vægten af ​​mikrofremdriftssystemerne.

Kulstof nanorør arrays er en del af ALICE, en CubeSat mikro-satellit udviklet og bygget af Air Force Institute of Technology på Wright-Patterson Air Force Base i Ohio. På en mission planlagt til den 5. december fra Vandenberg Air Force Base i Californien, ALICE vil ride ud i rummet på en Atlas V-raket, der bruges til at opsende en separat og meget større nyttelast. Kun 10 gange 10 gange 30 centimeter i størrelse, ALICE vil være en del af en række af otte CubeSats - så navngivet, fordi de passer ind i små modulære løfteraketter knyttet til hovedsatellitten.

Arbejdet kan føre til forbedrede mikrofremdrivningssystemer, der er nyttige for små rumfartøjer, sagde Jonathan Black, direktør for Center for Space Research and Assurance ved AFIT.

"Teknologi som de enheder, der testes på ALICE, er afgørende for vores fremtidige evne til at manøvrere mikrosatellitter eller ændre deres kredsløb, " forklarede han. "At være i stand til at inkorporere fremdrift i mikrosatellitter som CubeSats øger missionernes levetid og de typer missioner, de kan udføre. Vellykkede demonstrationer af avancerede teknologier som dem, der flyves på ALICE vil i sidste ende føre til mindre, lettere og mere energieffektiv fremdrift, resulterer i reducerede opsendelsesomkostninger, samtidig med at ydeevnen for alle satellitter, der bruger elektrisk fremdrift, øges."

Ved at bruge et multi-afdelings team, AFIT-ingeniører i Electrical Engineering Department udviklede en nyttelast til direkte at eksponere kulstof nanorør-arrays for rummiljøet, mens de beskyttede en identisk kontrolarray i satellitten. Arrays, som er cirka en kvadratcentimeter, vil blive tændt og slukket og deres adfærd studeret. Nyttelasteksperimentet bruger en sensorenhed kendt som Integrated Miniaturized Electromagnetic Analyzer (iMESA), designet af ingeniører ved U.S. Air Force Academy (USAFA). Dataene indsamlet fra satellitten vil blive downloadet og behandlet på AFIT af studerende og teknikere i Institut for Luftfart og Astronautik.

Kulstof nanorør-arrays er fremragende ledere, og deres geometri gør dem til ideelle elektronemittere.

"Vi bruger kulstof nanorør, fordi de har et højt billedformat og giver et nanoskalapunkt, der udsender elektronerne, " sagde Graham Sanborn, der arbejdede på projektet som en del af sin ph.d. afhandling ved Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Det elektriske felt fokuserer på spidsen, så vi er i stand til at få elektronemission ved lavere spændinger, end det måtte være nødvendigt for andre materialer."

GTRI bruger en række afsætnings- og ætsningstrin til at fremstille arrays i rene rum på Georgia Tech. Hver kvadratisk array på en centimeter indeholder så mange som 50, 000 nanorør bundter, og hvert bundt er dyrket fra en fem-mikron pit ætset ind i silicium.

"Designet har specifik geometri for at forhindre elektrisk kortslutning mellem elektroder, der er meget tæt på hinanden, " forklarede Sanborn.

Rumfartøjer opsendes ved hjælp af kemiske raketter, der giver store mængder tryk. En gang i kredsløb, imidlertid, køretøjerne kan bruge elektrisk drevne thrustere til at ændre baner eller foretage andre manøvrer.

"Ion thrustere giver meget lave mængder af tryk, " sagde Sanborn. "De skubber bare gasmolekyler ud, men de fungerer meget effektivt. Ion thrustere kan fungere i tusindvis af timer ad gangen. Kumulativt, du kan opnå en betydelig hastighedsændring."

ALICE akronymet er sammensat af flere andre akronymer. "A" repræsenterer AFIT, mens "L" er for LEO – det lave kredsløb om jorden, hvor satellitten vil operere. "I" repræsenterer iMESA-systemet; "C" er for kulstof nanorør, mens "E" repræsenterer "Eksperiment".

satellitten, den første til AFIT, blev designet, testet og integreret af et multi-afdelings team af professorer, studerende og teknikere. Partnerskabet med GTRI og USAFA gav studerende i hver institution mulighed for at deltage i banebrydende forskning med potentiale til at påvirke adskillige fremtidige satellitter, der anvender elektrisk fremdrift.

Andre potentielle applikationer for Georgia Techs CNT-baserede elektronemittere omfatter skærme, elektrodynamiske bindinger, vakuumelektronik og vandrende bølgerør.