Effizientere Raumfahrtmaschine verwendet Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Ionenantriebssysteme haben in den letzten 50 Jahren eine Handvoll erdumlaufender und interplanetarer Raumfahrzeuge angetrieben. Jetzt entwickeln Forscher des Georgia Institute of Technology effizientere Ionentriebwerke, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen als eine lebenswichtige Komponente verwenden.

Effiziente Strahler: Eine mikroskopische Aufnahme von quadratischen Anordnungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einem ein Zentimeter mal einen Zentimeter großen Siliziumwafer. Die Arrays sind für die Verwendung in einer experimentellen Kathode ausgelegt.

Der Ionenantrieb funktioniert durch die Beschleunigung elektrisch geladener oder ionisierter Teilchen, um ein Raumfahrzeug anzutreiben. Einer der gebräuchlichsten Ionentriebwerke, bekannt als Hall-Effekt-Triebwerk, ionisiert Gas mithilfe von in einem Magnetfeld gefangenen Elektronen. Die resultierenden Ionen werden dann unter Verwendung des zwischen einer Anode und einer Kathode aufrechterhaltenen Potentials beschleunigt. Ein Teil der emittierten Elektronen muss jedoch auch verwendet werden, um die Ionen in der vom Raumfahrzeug emittierten Wolke zu neutralisieren, um zu verhindern, dass das Raumfahrzeug elektrisch aufgeladen wird. Vorhandene Hall-Effekt-Triebwerke müssen etwa 10 Prozent des Xenon-Gastreibstoffs des Raumfahrzeugs verwenden, um die Elektronen zu erzeugen, die sowohl für den Betrieb des Triebwerks als auch für die Neutralisierung des Ionenstrahls benötigt werden.



Die Forscher von Georgia Tech haben eine Feldemissionskathode für das Triebwerk mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt. Bei diesem Kathodentyp werden Elektronen emittiert, nachdem sie durch eine Potentialbarriere getunnelt wurden. Das Carbon-Nanotube-Design ist besonders effizient, da Nanotubes unglaublich stark und elektrisch leitfähig sind. Durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen können wir alle benötigten Elektronen erhalten, ohne ein Treibmittel zu verwenden, sagt Mitchell Walker , Hauptermittler von das Projekt und ein Assistenzprofessor in der Labor für elektrische Hochleistungsantriebe an der Georgia Tech. Damit stehen 10 Prozent mehr Treibstoff des Ionentriebwerks für die eigentliche Mission zur Verfügung, was die Lebensdauer eines Raumfahrzeugs verlängert.

Wir können die Elektronen mit weniger als 0,25 Volt pro Mikrometer von der Spitze des Materials ziehen, was ein enorm effizientes System ergibt, sagt Jud bereit , leitender Ermittler des Projekts. Im Gegensatz dazu erfordern die herkömmlich in Ionentriebwerken verwendeten Hohlkathoden eine schwere Elektronik und müssen auf Tausende von Grad erhitzt werden, um die ausreichende Spannung zu erhalten.

Da die Nanoröhren außerdem dünn und leichtgewichtig sind, können sie auf die Oberfläche des Triebwerkskörpers aufgebracht werden, was es dem Raumfahrzeug möglicherweise ermöglicht, größere Nutzlasten zu tragen und auf kleinere Trägerraketen zu passen. Walker präsentierte Anfang des Jahres auf der Gemeinsame Antriebskonferenz und Ausstellung in Denver und sagt, dass das neue System in drei bis fünf Jahren marktreif sein könnte.

Besserer Schub: Eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kathode ist auf einem experimentellen Aufbau in einem Ionentriebwerk montiert.

Die Untersuchung von Kohlenstoffnanoröhren für Kathoden ist ein relativ neuer Ansatz, aber einer von mehreren, die im letzten Jahrzehnt untersucht wurden, sagt Michael Patterson, der Hauptforscher des neuen Ionenantriebssystems, das Teil des Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) der NASA ist. Programm. Forscher bei Glenn Research Center der NASA haben die Verwendung von Mikrostrukturen aus diamantähnlichen Materialien untersucht, hatten jedoch Schwierigkeiten, diese zu verwenden. Im Allgemeinen haben sie eine kurze Lebensdauer, wenn sie erosiven Umgebungen ausgesetzt sind oder mit sehr niedrigen Strömen betrieben werden, sagt Patterson.

Um die Kohlenstoff-Nanoröhren-Kathoden herzustellen, züchten die Georgia Tech-Forscher die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Plasma anstelle von konventioneller chemischer Gasphasenabscheidung. Wir müssen in der Lage sein, die Höhe der Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die für unser Design 10 Mikrometer beträgt, genau zu kontrollieren, sagt Ready.

Busek, ein Unternehmen für Raumfahrtantriebe mit Sitz in Natick, MA, entwickelt auch bereits weltraumzertifizierte Kohlenstoff-Nanoröhren-Kathoden. Ready sagt, dass die Forscher eine gute Beziehung zum Unternehmen haben und daran interessiert wären, mit ihm zusammenzuarbeiten, um ihre eigene Technologie zu kommerzialisieren.

Die Forscher von Georgia Tech haben die Haltbarkeit ihrer Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Beweis gestellt, indem sie gezeigt haben, dass sie die Vibrationen während des Starts überleben können. Die Nanotubes haben eine Lebensdauer von über 368 Stunden. Die Gruppe hat einen Zuschuss in Höhe von 6,5 Millionen US-Dollar von DARPA, dem Forschungs- und Entwicklungszweig des US-Verteidigungsministeriums, erhalten und hat mit einer zweiten Testphase begonnen.

Kohlenstoffnanoröhren sind ein lohnendes Forschungsgebiet, das die Gesamtsystemleistung verbessern könnte, sagt Patterson. Er fügt hinzu, dass Kohlenstoff-Nanoröhren-Kathoden für energiesparende Raumfahrzeuge und kleine Satelliten am besten geeignet sind, da die Standard-Kathodentechnologie bei diesen Systemen am meisten verbietet. Ein großer Teil des Treibmittels wird an der Kathode verschwendet.

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