Mere effektiv rummotor bruger kulstof nanorør

Ion-fremdrivningssystemer har drevet en håndfuld jord-kredsende og interplanetariske rumfartøjer i løbet af de sidste 50 år. Nu udvikler forskere ved Georgia Institute of Technology mere effektive ion-thrustere, der bruger kulstofnanorør som en vital komponent.

Effektive emittere: Et mikrofotografi af firkantede arrays af kulstof nanorør på en en centimeter gange en centimeter silicium wafer. Arrays er designet til brug i en eksperimentel katode.

Ionfremdrift virker ved at accelerere elektrisk ladede eller ioniserede partikler for at drive et rumfartøj. En af de mest almindelige ionmotorer, kendt som en Hall Effect thruster, ioniserer gas ved hjælp af elektroner fanget i et magnetfelt. De resulterende ioner accelereres derefter ved at bruge det potentiale, der opretholdes mellem en anode og en katode. Men nogle af de udsendte elektroner skal også bruges til at neutralisere ionerne i fanen, der udsendes fra rumfartøjet, for at forhindre rumfartøjet i at blive elektrisk ladet. Eksisterende Hall Effect-thrustere skal bruge omkring 10 procent af rumfartøjets xenon-gasdrivmiddel til at skabe de elektroner, der er nødvendige for både at køre motoren og neutralisere ionstrålen.

Georgia Tech-forskerne skabte en feltemissionskatode til thrusteren ved hjælp af kulstofnanorør. I denne type katode udsendes elektroner, efter at de er tunneleret gennem en potentiel barriere. Kulstof-nanorør-designet er særligt effektivt, fordi nanorør er utroligt stærke og elektrisk ledende. Ved at bruge kulstofnanorør kan vi få alle de elektroner, vi har brug for, uden at bruge noget drivmiddel, siger Mitchell Walker , hovedefterforsker af projektet og en adjunkt i Laboratorium for elektrisk fremdrift med høj effekt hos Georgia Tech. Det betyder, at 10 procent mere af ionthrusterens drivmiddel er tilgængeligt til selve missionen, hvilket forlænger et rumfartøjs levetid.

Vi kan trække elektronerne fra spidsen af ​​materialet med mindre end 0,25 volt pr. mikron, hvilket giver et enormt effektivt system, siger Jud klar , medansvarlig for projektet. I modsætning hertil kræver de hule katoder, der konventionelt anvendes i ion-thrustere, tung elektronik og skal opvarmes til tusindvis af grader for at opnå den rigelige spænding.

Desuden, da nanorørene er tynde og lette, kan de påføres overfladen af ​​thrusterkroppen, hvilket potentielt giver rumfartøjet mulighed for at bære større nyttelast og passe på mindre løftefartøjer. Walker præsenterede et papir om den nye katode tidligere i år på Joint Propulsions konference og udstilling i Denver og siger, at det nye system kan være klar til at blive lanceret om tre til fem år.

Bedre fremdrift: En carbon nanorør katode er monteret på en eksperimentel opsætning inde i en ion thruster.

Undersøgelsen af ​​kulstofnanorør til katoder er en relativt ny tilgang, men en af ​​flere, der er blevet undersøgt i løbet af det sidste årti, siger Michael Patterson, hovedefterforskeren af ​​det nye ion-fremdrivningssystem, der er en del af NASAs Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) program. Forskere ved NASAs Glenn Research Center har undersøgt brugen af ​​mikrostrukturer lavet af diamantlignende materialer, men har haft svært ved at bruge dem. Generelt har de en kort levetid, når de udsættes for erosive miljøer eller kører ved meget lave strømme, siger Patterson.

For at skabe kulstof-nanorør-katoderne dyrker Georgia Tech-forskerne de flervæggede kulstofnanorør ved hjælp af plasma i stedet for konventionel kemisk dampaflejring. Vi skal kunne fint kontrollere højden af ​​kulstofnanorørene, som for vores design er 10 mikron, siger Ready.

Busek, et rumfremdriftsfirma baseret i Natick, MA, udvikler også kulstof-nanorør-katoder, der allerede er rumcertificerede. Ready siger, at forskerne har et godt forhold til virksomheden og ville være interesseret i at arbejde med den for at kommercialisere deres egen teknologi.

Georgia Tech-forskerne har demonstreret holdbarheden af ​​deres kulstofnanorør ved at vise, at de kan overleve de vibrationer, der opleves under opsendelsen. Nanorørene har en levetid på over 368 timer. Gruppen har modtaget et tilskud på $6,5 millioner fra DARPA, forsknings- og udviklingsafdelingen af ​​det amerikanske forsvarsministerium, og har påbegyndt en anden fase af test.

Carbon nanorør er et værdigt forskningsområde, der kan forbedre den overordnede systemydelse, siger Patterson. Han tilføjer, at kulstof-nanorør-katoder kan være mest velegnede til laveffekt-rumfartøjer og små satellitter, fordi standardkatodeteknologien er mest forbudt på disse systemer. En stor del af drivmidlet spildes på katoden.

skjule