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Motor espacial más eficiente utiliza nanotubos de carbono
Los sistemas de propulsión iónica han propulsado un puñado de naves espaciales interplanetarias y en órbita terrestre durante los últimos 50 años. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia están desarrollando propulsores de iones más eficientes que utilizan nanotubos de carbono como componente vital.
Emisores eficientes: Una micrografía de matrices cuadradas de nanotubos de carbono en una oblea de silicio de un centímetro por un centímetro. Las matrices están diseñadas para su uso en un cátodo experimental.
La propulsión iónica funciona acelerando partículas cargadas eléctricamente o ionizadas para propulsar una nave espacial. Uno de los motores de iones más comunes, conocido como propulsor de efecto Hall, ioniza el gas utilizando electrones atrapados en un campo magnético. Los iones resultantes luego se aceleran usando el potencial mantenido entre un ánodo y un cátodo. Pero algunos de los electrones emitidos también deben usarse para neutralizar los iones en la pluma emitida por la nave espacial, para evitar que la nave espacial se cargue eléctricamente. Los propulsores de efecto Hall existentes deben usar aproximadamente el 10 por ciento del propulsor de gas xenón de la nave espacial para crear los electrones necesarios para hacer funcionar el motor y neutralizar el haz de iones.
Los investigadores de Georgia Tech crearon un cátodo de emisión de campo para el propulsor utilizando nanotubos de carbono. En este tipo de cátodo, los electrones se emiten después de atravesar una barrera de potencial. El diseño de nanotubos de carbono es especialmente eficiente porque los nanotubos son increíblemente fuertes y conductores de electricidad. Al usar nanotubos de carbono, podemos obtener todos los electrones que necesitamos sin usar ningún propulsor, dice Mitchell Walker , investigador principal de el proyecto y un profesor asistente en el Laboratorio de propulsión eléctrica de alta potencia en Georgia Tech. Esto significa que un 10 por ciento más del propulsor del propulsor de iones está disponible para la misión real, lo que prolonga la vida útil de una nave espacial.
Podemos extraer los electrones de la punta del material a menos de 0,25 voltios por micrón, lo que lo convierte en un sistema tremendamente eficiente, dice Jud listo , investigador coprincipal del proyecto. En contraste, los cátodos huecos usados convencionalmente en propulsores de iones requieren componentes electrónicos pesados y necesitan ser calentados a miles de grados para obtener el voltaje amplio.
Además, dado que los nanotubos son delgados y livianos, se pueden aplicar a la superficie del cuerpo del propulsor, lo que potencialmente permite que la nave espacial transporte cargas útiles más grandes y quepa en vehículos de lanzamiento más pequeños. Walker presentó un documento sobre el nuevo cátodo a principios de este año en el Conferencia y exhibición conjunta de propulsión en Denver y dice que el nuevo sistema podría estar listo para lanzarse en tres a cinco años.
Mejor empuje: Un cátodo de nanotubos de carbono está montado en una configuración experimental dentro de un propulsor de iones.
El examen de nanotubos de carbono para cátodos es un enfoque relativamente nuevo, pero uno de varios que se han investigado durante la última década, dice Michael Patterson, el investigador principal del nuevo sistema de propulsión de iones que forma parte del Propulsor de Xenón Evolutivo de la NASA (NEXT). programa. Investigadores en Centro de Investigación Glenn de la NASA han investigado el uso de microestructuras hechas de materiales similares al diamante, pero han tenido dificultades para usarlas. Por lo general, tienen una vida útil corta cuando se someten a entornos erosivos o funcionan con corrientes muy bajas, dice Patterson.
Para crear los cátodos de nanotubos de carbono, los investigadores de Georgia Tech cultivan los nanotubos de carbono de paredes múltiples utilizando plasma en lugar de la deposición de vapor químico convencional. Necesitamos poder controlar con precisión la altura de los nanotubos de carbono, que para nuestro diseño es de 10 micrones, dice Ready.
Busek, una empresa de propulsión espacial con sede en Natick, MA, también está desarrollando cátodos de nanotubos de carbono que ya cuentan con certificación espacial. Ready dice que los investigadores tienen una buena relación con la empresa y estarían interesados en trabajar con ella para comercializar su propia tecnología.
Los investigadores de Georgia Tech han demostrado la durabilidad de sus nanotubos de carbono al demostrar que pueden sobrevivir a las vibraciones experimentadas durante el lanzamiento. Los nanotubos tienen una vida útil de más de 368 horas. El grupo ha recibido una subvención de $ 6,5 millones de DARPA, el brazo de investigación y desarrollo del Departamento de Defensa de EE. UU., Y ha comenzado una segunda fase de pruebas.
Los nanotubos de carbono son un área de investigación valiosa que podría mejorar el rendimiento general del sistema, dice Patterson. Agrega que los cátodos de nanotubos de carbono pueden ser más adecuados para naves espaciales de baja potencia y satélites pequeños porque la tecnología de cátodos estándar es más prohibitiva en estos sistemas. Una gran fracción del propulsor se desperdicia en el cátodo.