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Il motore spaziale più efficiente utilizza i nanotubi di carbonio
I sistemi di propulsione ionica hanno spinto una manciata di veicoli spaziali in orbita attorno alla Terra e interplanetari negli ultimi 50 anni. Ora i ricercatori del Georgia Institute of Technology stanno sviluppando propulsori ionici più efficienti che utilizzano nanotubi di carbonio per un componente vitale.
Emettitori efficienti: Una micrografia di matrici quadrate di nanotubi di carbonio su un wafer di silicio di un centimetro per un centimetro. Gli array sono progettati per l'uso in un catodo sperimentale.
La propulsione ionica funziona accelerando le particelle caricate elettricamente o ionizzate per spingere un veicolo spaziale. Uno dei motori ionici più comuni, noto come propulsore ad effetto Hall, ionizza il gas utilizzando elettroni intrappolati in un campo magnetico. Gli ioni risultanti vengono quindi accelerati utilizzando il potenziale mantenuto tra un anodo e un catodo. Ma alcuni degli elettroni emessi devono essere usati anche per neutralizzare gli ioni nel pennacchio emesso dal veicolo spaziale, per evitare che il veicolo spaziale si carichi elettricamente. I propulsori ad effetto Hall esistenti devono utilizzare circa il 10 percento del propellente del gas xenon del veicolo spaziale per creare gli elettroni necessari sia per far funzionare il motore che per neutralizzare il raggio ionico.
I ricercatori della Georgia Tech hanno creato un catodo a emissione di campo per il propulsore utilizzando nanotubi di carbonio. In questo tipo di catodo, gli elettroni vengono emessi dopo aver attraversato una potenziale barriera. Il design dei nanotubi di carbonio è particolarmente efficiente perché i nanotubi sono incredibilmente resistenti ed elettricamente conduttivi. Usando i nanotubi di carbonio, possiamo ottenere tutti gli elettroni di cui abbiamo bisogno senza usare alcun propellente, afferma Mitchell Walker , investigatore principale di il progetto e un assistente professore in Laboratorio di propulsione elettrica ad alta potenza alla Georgia Tech. Ciò significa che il 10 percento in più del propellente del propulsore ionico è disponibile per la missione effettiva, prolungando la vita di un veicolo spaziale.
Possiamo estrarre gli elettroni dalla punta del materiale a meno di 0,25 volt per micron, il che rende il sistema estremamente efficiente, afferma Jud pronto , ricercatore capofila del progetto. Al contrario, i catodi cavi convenzionalmente utilizzati nei propulsori ionici richiedono un'elettronica pesante e devono essere riscaldati a migliaia di gradi per ottenere l'ampia tensione.
Inoltre, poiché i nanotubi sono sottili e leggeri, possono essere applicati alla superficie del corpo del propulsore, consentendo potenzialmente al veicolo spaziale di trasportare carichi utili più grandi e di adattarsi a veicoli di lancio più piccoli. Walker ha presentato un documento sul nuovo catodo all'inizio di quest'anno al Conferenza e mostra sulle propulsioni congiunte a Denver e afferma che il nuovo sistema potrebbe essere pronto per il lancio in tre-cinque anni.
Spinta migliore: Un catodo di nanotubi di carbonio è montato su un apparato sperimentale all'interno di un propulsore ionico.
L'esame dei nanotubi di carbonio per i catodi è un approccio relativamente nuovo, ma uno dei tanti che sono stati studiati nell'ultimo decennio, afferma Michael Patterson, il principale investigatore del nuovo sistema di propulsione ionica che fa parte dell'Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) della NASA. programma. Ricercatori presso Glenn Research Center della NASA hanno studiato l'uso di microstrutture realizzate con materiali simili al diamante, ma hanno avuto difficoltà a utilizzarle. Generalmente hanno una vita breve se sottoposti ad ambienti erosivi o funzionano a correnti molto basse, afferma Patterson.
Per creare i catodi di nanotubi di carbonio, i ricercatori della Georgia Tech coltivano i nanotubi di carbonio a parete multipla utilizzando il plasma invece della convenzionale deposizione chimica da vapore. Dobbiamo essere in grado di controllare con precisione l'altezza dei nanotubi di carbonio, che per il nostro progetto è di 10 micron, afferma Ready.
Busek, una società di propulsione spaziale con sede a Natick, MA, sta anche sviluppando catodi di nanotubi di carbonio che sono già certificati per lo spazio. Ready afferma che i ricercatori hanno un buon rapporto con l'azienda e sarebbero interessati a lavorare con essa per commercializzare la propria tecnologia.
I ricercatori della Georgia Tech hanno dimostrato la durata dei loro nanotubi di carbonio dimostrando che possono sopravvivere alle vibrazioni sperimentate durante il lancio. I nanotubi hanno una durata di oltre 368 ore. Il gruppo ha ricevuto una sovvenzione di $ 6,5 milioni dalla DARPA, il braccio di ricerca e sviluppo del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, e ha iniziato una seconda fase di test.
I nanotubi di carbonio sono un'area di ricerca degna che potrebbe migliorare le prestazioni complessive del sistema, afferma Patterson. Aggiunge che i catodi di nanotubi di carbonio possono essere più adatti per veicoli spaziali a bassa potenza e piccoli satelliti perché la tecnologia del catodo standard è più proibitiva su questi sistemi. Una grande frazione del propellente viene sprecata sul catodo.