Een kleine satelliet in aanbouw bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zou nieuwe horizonten kunnen openen in de verkenning van de ruimte. Studenten van Princeton University bouwen het apparaat, een kubieke satelliet genoemd, of CubeSat, als een testbed voor een geminiaturiseerde raketschroef met unieke mogelijkheden die bij PPPL worden ontwikkeld.

de stuwkracht, wiens ontwikkeling wordt geleid door PPPL-fysicus Yevgeny Raitses, houdt de belofte in van meer flexibiliteit voor de missie van CubeSats, meer dan 1, 000 daarvan zijn gelanceerd door universiteiten, onderzoekscentra en commerciële belangen over de hele wereld. Het voorgestelde voortstuwingsapparaat - aangedreven door plasma - zou de banen van CubeSats die om de aarde cirkelen kunnen verhogen en verlagen, een mogelijkheid die tegenwoordig niet algemeen beschikbaar is voor kleine ruimtevaartuigen, en zou het potentieel hebben voor verkenning van de diepe ruimte. "Eigenlijk, we zullen deze miniatuur-stuwraketten voor veel missies kunnen gebruiken, ', zegt Raits.

Honderden micro-aangedreven CubeSats

Een voorbeeld:honderden van dergelijke micro-aangedreven CubeSats zijn bedacht door natuurkundige Masaaki Yamada, hoofdonderzoeker van het PPPL Magnetic Reconnection Experiment (MRX), die magnetische herverbinding bestudeert - de scheiding en explosief samenklikken van magnetische veldlijnen in plasma die aurora's veroorzaken, zonnevlammen en geomagnetische stormen die de mobiele telefoonservice en elektriciteitsnetten op aarde kunnen verstoren. Dergelijke CubeSat-vloten kunnen het herverbindingsproces in de magnetosfeer tot in detail vastleggen, het magnetische veld dat de aarde omringt, zei Yamada.

De geminiaturiseerde motor verkleint een cilindrische boegschroef met een hoog volume-naar-oppervlaktegeometrie, ontwikkeld in het PPPL Hall Thruster Experiment (HTX), die Raitses leidt en lanceerde met PPPL-fysicus Nat Fisch in 1999. Het experiment onderzoekt het gebruik van plasma - de toestand van materie die bestaat uit vrij zwevende elektronen en atoomkernen, of ionen - voor voortstuwing van de ruimte.

Belangrijkste voordeel:

Een belangrijk voordeel van de geminiaturiseerde cilindrische Hall-thruster is zijn vermogen om een ​​hogere dichtheid van raketstuwkracht te produceren dan bestaande plasma-thrusters die worden gebruikt voor de meeste CubeSats die nu in een baan om de aarde draaien. De geminiaturiseerde boegschroef kan zowel een verhoogde dichtheid als een hoge specifieke impuls bereiken - de technische term voor hoe efficiënt een raket brandstof verbrandt - die vele malen groter zal zijn dan die geproduceerd door chemische raketten en koudgas-stuwraketten die doorgaans op kleine satellieten worden gebruikt.

Stuwraketten met een hoge specifieke impuls verbruiken veel minder brandstof en kunnen satellietmissies verlengen, waardoor ze zuiniger worden. Even belangrijk is het feit dat een hoge specifieke impuls een voldoende grote toename van het momentum van een satelliet kan veroorzaken om het ruimtevaartuig in staat te stellen van baan te veranderen - een functie die niet beschikbaar is op de CubeSats die momenteel in een baan rond de aarde draaien. Eindelijk, hoge stuwkrachtdichtheid zal satellieten in staat stellen om binnen een redelijke tijd complexe, voor brandstof geoptimaliseerde banen te bereiken.

Deze mogelijkheden bieden veel voordelen. Bijvoorbeeld, een CubeSat kan afdalen naar een lagere baan om orkanen te volgen of kustlijnveranderingen te volgen en terug te keren naar een hogere baan waar de weerstandskracht op een satelliet zwakker is, minder brandstof nodig voor de voortstuwing.

De ongeveer een meter lange CubeSat, die Princeton een "TigerSat, " bestaat uit drie aluminium kubussen van bijna 10 cm die verticaal op elkaar zijn gestapeld. Sensoren, batterijen, radioapparatuur en andere instrumenten vullen de CubeSat, met een geminiaturiseerde boegschroef die ongeveer gelijk in diameter is aan twee Amerikaanse kwartalen aan beide uiteinden. Een boegschroef zal vuren om van baan te veranderen wanneer de satelliet de evenaar van de aarde passeert.

Studenten Werktuigbouwkunde en Lucht- en Ruimtevaarttechniek

Het bouwen van de CubeSat zijn ongeveer 10 Princeton-afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten van de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, met Daniel Marlow, de Evans Crawford 1911 hoogleraar natuurkunde, werkzaam als faculteitsadviseur. Undergraduates omvatten Andrew Redd, die het ontwerp en de bouw van de CubeSat leidt, en Seth Freeman, die in de zomer fulltime aan het project werkt. Werken aan boegschroef ontwikkeling is Jacob Simmonds, een derdejaars afgestudeerde technische student, wiens scriptieadviseurs Raitses en Yamada zijn. "Dit project begon als een prototype van Yamada's CubeSat en is uitgegroeid tot een eigen project als testbed voor de plasma-thruster, ' zei Simmonds.

Ook in aanbouw bij PPPL is een testfaciliteit ontworpen om de belangrijkste aspecten van de werking van de CubeSat te simuleren. Studenten die in hun eigen tijd werken, bouwen de satelliet en deze faciliteit. "Voor zover studenten en hun adviseurs goed gedefinieerde vragen hebben geïdentificeerd die verband houden met het TigerSat-project, ze kunnen zelfstandig werkkrediet krijgen, "Zei Marlow. "Ook, sommige probleemsets in de inleidende cursus natuurkunde voor studenten die ik doceer, hebben vragen met betrekking tot het TigerSat-vliegplan."

Simmonds, tijdens het werken aan de boegschroef, stelt een voorstel op voor NASA's Cubic Satellite Launch Initiative (CSLI), dat in november wordt verwacht. Door het initiatief geselecteerde projecten, die publiek-private technologiepartnerschappen en goedkope technologieontwikkeling bevordert, hebben lanceringskosten gedekt op commerciële en NASA-voertuigen. Plannen vragen om een ​​TigerSat-lancering in de herfst van 2021.

Waarde van samenwerking

Voor Raitsen, dit project toont de waarde aan van de ingenieursstudenten van Princeton die samenwerken met PPPL en van de universitaire faculteiten die samenwerken met het laboratorium. "Dit is iets dat voor beide partijen voordelig is, " hij zei, "en iets dat we willen aanmoedigen."