(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een subsidie ​​​​van $ 6,5 miljoen gewonnen om verbeterde componenten te ontwikkelen die de efficiëntie zullen verhogen van elektrische voortstuwingssystemen die worden gebruikt om de posities van satellieten en planetaire sondes te regelen.

Focussen op verbeterde kathodes voor apparaten die bekend staan ​​als Hall-effect stuwraketten, het onderzoek zou het verbruik van drijfgas in commerciële, regerings- en militaire satellieten, waardoor ze langer in een baan om de aarde kunnen blijven, worden gelanceerd op kleinere of goedkopere raketten, of grotere ladingen vervoeren. Gesponsord door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency Defense Sciences Office (DARPA-DSO), het 18 maanden durende project wil het gebruik van drijfgasloze kathodes met Hall-effect stuwraketten demonstreren.

"Ongeveer 10 procent van het drijfgas dat de ruimte in wordt vervoerd op satellieten die een elektrisch voortstuwingssysteem gebruiken, wordt in wezen verspild in de holle kathode die deel uitmaakt van het systeem, " zei Mitchell Walker, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Aerospace Engineering en de hoofdonderzoeker van het project. "Door veldemissie te gebruiken in plaats van een holle kathode, we zijn in staat om elektronen te trekken uit kathode-arrays gemaakt van koolstofnanobuizen zonder drijfgas te verspillen. Dat verlengt de levensduur van het voertuig door efficiënter gebruik te maken van het beperkte drijfgas aan boord voor het beoogde doel van voortstuwing."

Om hun positie in de ruimte te behouden of om zich te heroriënteren, satellieten moeten kleine stuwraketten gebruiken die chemisch of elektrisch worden aangedreven. Elektrisch aangedreven stuwraketten gebruiken elektronen om een ​​inert gas zoals xenon te ioniseren. De resulterende ionen worden vervolgens uit het apparaat uitgestoten om stuwkracht te genereren.

In bestaande Hall-effect stuwraketten, een enkele hoge temperatuur kathode genereert de elektronen. Een deel van het drijfgas - meestal ongeveer 10 procent van de beperkte voorraad die door de satelliet wordt vervoerd - wordt gebruikt als werkvloeistof in de traditionele holle kathode. Het door DARPA gefinancierde onderzoek zou de holle kathode vervangen door een reeks veldeffectkathoden die zijn vervaardigd uit bundels meerwandige koolstofnanobuisjes. Aangedreven door batterijen aan boord en fotovoltaïsche systemen op de satelliet, de arrays zouden met een laag vermogen werken om elektronen te produceren zonder drijfgas te verbruiken.

Walker en medewerkers van het Georgia Tech Research Institute (GTRI) hebben al veldeffectkathoden op basis van koolstofnanobuisjes aangetoond. Dit werk werd gepresenteerd op de AIAA Joint Propulsion Conference 2009 in Denver, Colo. De extra financiering zal verbeteringen in de apparaten ondersteunen, bekend als koolstof nanobuis koude kathoden, en leiden al in 2015 tot ruimtetesten.

"Dit werk hangt af van ons vermogen om uitgelijnde koolstofnanobuisjes precies daar te laten groeien waar we ze willen hebben en tot exacte afmetingen, "ť zei Jud Ready, een GTRI senior research engineer en Walker's medewerker aan het project. "Dit project maakt gebruik van ons vermogen om goed uitgelijnde arrays van nanobuisjes te laten groeien en ze te coaten om hun veldemissieprestaties te verbeteren."

Naast het verminderen van het brandstofverbruik, het gebruik van kathodearrays van koolstofnanobuisjes zou de betrouwbaarheid kunnen verbeteren door de enkele kathode te vervangen die nu in de stuwraketten wordt gebruikt.

"Bestaande kathoden zijn gevoelig voor vervuiling, beschadigd door de geïoniseerde uitlaat van de boegschroef, en hebben een beperkte levensduur vanwege hun werking bij hoge temperaturen, Ready merkte op. "De kathodearrays van koolstofnanobuisjes zouden zorgen voor een verdeelde kathode rond de Hall-effect-thruster, zodat als een ervan beschadigd is, we zullen redundantie hebben."

Voordat de door Georgia Tech ontwikkelde kathoden van koolstofnanobuisjes op satellieten kunnen worden gebruikt, echter, hun levensduur zal moeten worden verlengd om overeen te komen met die van een satellietschroef, dat is meestal 2, 000 uur of meer. De apparaten zullen ook bestand moeten zijn tegen de mechanische spanningen van ruimtelanceringen, snel in- en uitschakelen, consequent werken en de agressieve ruimteomgeving overleven.

Een deel van de inspanning zal zich richten op speciale coatingmaterialen die worden gebruikt om de koolstofnanobuisjes te beschermen tegen de ruimteomgeving. Voor dat deel van het project Walker en Ready werken samen met Lisa Pfefferle bij de afdeling Chemical Engineering aan de Yale University.

De onderzoekers testen hun kathodes met dezelfde Busek Hall-effect-thruster die op de TacSat-2-satelliet van de Amerikaanse luchtmacht vloog. In aanvulling, de kathodes zullen worden bediend met Hall-effect stuwraketten die zijn ontwikkeld door Pratt &Whitney en gedoneerd aan Georgia Tech. De onderzoekers werken ook samen met L-3 ETI aan het elektrische energiesysteem en met American Pacific In-Space Propulsion aan de vliegkwalificatie van de hardware.

De mogelijkheid om individuele kathodes op de array te besturen, zou een nieuwe mogelijkheid kunnen bieden om de stuwkracht te vectoren, mogelijk ter vervanging van de mechanische cardanische ophangingen die nu worden gebruikt.

Het gebruik van koolstofnanobuisjes om elektronen te genereren via het veldeffectproces werd in 1995 gerapporteerd door een onderzoeksteam onder leiding van Walt de Heer, een professor in de School of Physics van Georgia Tech. Veldemissie is de extractie van elektronen uit een geleidend materiaal door middel van kwantumtunneling die optreedt wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd.

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