Tegen het einde van het jaar zullen een paar koolstofnanobuis-arrays in de ruimte vliegen om technologie te testen die een efficiëntere micro-voortstuwing zou kunnen bieden voor toekomstige generaties ruimtevaartuigen. Onderdeel van een Cube Satellite (CubeSat) ontwikkeld door het Air Force Institute of Technology (AFIT), de arrays zullen naar verwachting de allereerste ruimtegebaseerde testen van koolstofnanobuisjes als elektronenemitter ondersteunen.

Onderzoekers van het Georgia Tech Research Institute (GTRI) produceerden de arrays met behulp van unieke technologie die bundels verticaal uitgelijnde nanobuisjes laat groeien die zijn ingebed in siliciumchips. In toekomstige versies van elektrisch aangedreven ionenmotoren, elektronen die worden uitgezonden door de uiteinden van koolstofnanobuisjes kunnen worden gebruikt om een ​​gasvormig drijfgas zoals xenon te ioniseren. Het geïoniseerde gas zou dan door een mondstuk worden uitgestoten om stuwkracht te leveren voor het verplaatsen van een satelliet in de ruimte.

"De missie zal karakteriseren hoe goed deze veldemissie-elektronenbronnen in de ruimteomgeving werken in verhouding tot hoe goed ze op de grond in een vacuümkamer werken, " zei Jud Ready, een GTRI hoofdonderzoeksingenieur. "Lanceertrillingen en blootstelling aan een ruimteomgeving met atomaire zuurstof en micrometeorieten kunnen enkele ongebruikelijke effecten hebben op de arrays. Deze missie zal ons helpen evalueren of deze koolstofnanobuis-elektronenemitters kunnen worden gebruikt in ionenmotoren."

Bestaande ionenthrusters vertrouwen op thermionische kathoden, die hoge temperaturen gebruiken die worden gegenereerd door elektrische stroom om elektronen te produceren. Deze apparaten hebben aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit nodig om de warmte op te wekken, en moet een deel van het drijfgas verbruiken voor hun werking.

Als de koolstofnanobuisarrays kunnen worden gebruikt als elektronenemitters, ze zouden werken bij lagere temperaturen met minder vermogen - en zonder het beperkte drijfgas aan boord te gebruiken. Dat kan langere missietijden voor satellieten mogelijk maken, of het gewicht van de micro-voortstuwingssystemen te verminderen.

De koolstof nanobuis arrays maken deel uit van ALICE, een CubeSat microsatelliet ontwikkeld en gebouwd door het Air Force Institute of Technology op de Wright-Patterson Air Force Base in Ohio. Op een missie gepland voor 5 december vanaf Vandenberg Air Force Base in Californië, ALICE zal de ruimte in rijden op een Atlas V-raket die wordt gebruikt om een ​​afzonderlijke en veel grotere lading te lanceren. Slechts 10 bij 10 bij 30 centimeter groot, ALICE zal deel uitmaken van een reeks van acht CubeSats - zo genoemd omdat ze passen in kleine modulaire draagraketten die aan de hoofdsatelliet zijn bevestigd.

Het werk zou kunnen leiden tot verbeterde micro-voortstuwingssystemen die nuttig zijn voor kleine ruimtevaartuigen, zei Jonathan Zwart, directeur van het Center for Space Research and Assurance bij AFIT.

"Technologie zoals de apparaten die op ALICE worden getest, is essentieel voor ons toekomstige vermogen om microsatellieten te manoeuvreren of hun banen te veranderen, "legde hij uit. "Het kunnen opnemen van voortstuwing in microsatellieten zoals CubeSats verhoogt de levensduur van de missie en het soort missies dat ze kunnen uitvoeren. Succesvolle demonstraties van geavanceerde technologieën zoals die waarmee op ALICE wordt gevlogen, zullen uiteindelijk leiden tot kleinere, lichtere en energiezuinigere voortstuwing, wat resulteert in lagere lanceringskosten terwijl de prestaties van alle satellieten met elektrische voortstuwing worden verbeterd."

Door gebruik te maken van een multi-departementaal team, AFIT-ingenieurs van de afdeling Electrical Engineering ontwikkelden een nuttige lading om de koolstofnanobuisarrays direct bloot te stellen aan de ruimteomgeving, terwijl een identieke controlearray in de satelliet wordt beschermd. de arrays, die ongeveer een centimeter in het vierkant zijn, worden in- en uitgeschakeld en hun gedrag wordt bestudeerd. Het payload-experiment maakt gebruik van een sensorapparaat dat bekend staat als de Integrated Miniaturized Electromagnetic Analyzer (iMESA), ontworpen door ingenieurs van de U.S. Air Force Academy (USAFA). De gegevens die met de satelliet worden verzameld, worden bij AFIT gedownload en verwerkt door studenten en technici van de afdeling Lucht- en Ruimtevaart.

De koolstofnanobuisarrays zijn uitstekende geleiders en hun geometrie maakt ze tot ideale elektronenemitters.

"We gebruiken koolstofnanobuizen omdat ze een hoge aspectverhouding hebben en een punt op nanoschaal bieden dat de elektronen uitzendt, " zei Graham Sanborn, die aan het project werkte als onderdeel van zijn Ph.D. proefschrift in Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Het elektrische veld concentreert zich op de punt, zodat we elektronenemissie kunnen krijgen bij lagere spanningen dan nodig zou kunnen zijn voor andere materialen."

GTRI gebruikt een reeks depositie- en etsstappen om de arrays te fabriceren in cleanrooms bij Georgia Tech. Elke vierkante array van één centimeter bevat maar liefst 50, 000 nanobuisbundels, en elke bundel wordt gekweekt uit een putje van vijf micron dat in het silicium is geëtst.

"Het ontwerp heeft een specifieke geometrie om kortsluiting tussen elektroden die heel dicht bij elkaar staan ​​te voorkomen, ’ legde Sanborn uit.

Ruimtevaartuigen worden gelanceerd met behulp van chemische raketten die grote hoeveelheden stuwkracht leveren. Eenmaal in een baan, echter, de voertuigen kunnen elektrisch aangedreven stuwraketten gebruiken om van baan te veranderen of andere manoeuvres uit te voeren.

"Ionenmotoren leveren zeer weinig stuwkracht, "Zei Sanborn. "Ze duwen gewoon gasmoleculen naar buiten, maar ze werken zeer efficiënt. Ionenstuwers kunnen duizenden uren per keer werken. cumulatief, je kunt een significante snelheidsverandering bereiken."

Het ALICE-acroniem is samengesteld uit verschillende andere acroniemen. De "A" staat voor AFIT, terwijl de "L" voor LEO is - de lage baan om de aarde waar de satelliet zal werken. De "I" staat voor het iMESA-systeem; de "C" is voor de koolstofnanobuisjes, terwijl de "E" staat voor "Experiment".

de satelliet, de eerste voor AFIT, was ontworpen, getest en geïntegreerd door een multi-departementaal team van professoren, studenten en technici. De samenwerking met GTRI en USAFA bood studenten in elke instelling de kans om deel te nemen aan baanbrekend onderzoek met het potentieel om invloed uit te oefenen op tal van toekomstige satellieten die gebruik maken van elektrische voortstuwing.

Andere mogelijke toepassingen voor de op CNT gebaseerde elektronenzenders van Georgia Tech zijn onder meer displays, elektrodynamische kettingen, vacuümelektronica en lopende golfbuizen.