211service.com
En ny skyveteknologi for nanosatellitter kan gjøre dem mer effektive
Et bilde av en rakett som tar av NASA
Tilbake i 1964 lanserte Sovjetunionen et romfartøy kalt Zond 2 mot Mars. Dens oppdrag var å gå i bane rundt den røde planeten, fotografere overflaten, se etter tegn på metan i atmosfæren og slippe et fartøy til å lande på overflaten.
Men flere måneder etter lanseringen sviktet Zond 2s plagsomme strømforsyning. Sovjeterne mistet kontakten med fartøyet og hørte aldri fra det igjen. I dag blir oppdraget i stor grad sett på som en fiasko - en av mange når det gjelder Mars.
Men Zond 2 hadde et annet mål. Romfartøyet var utstyrt med seks revolusjonerende thrustere for holdningskontroll. Kjent som plasmajetmotorer, hadde disse enhetene aldri blitt brukt i verdensrommet. Men under ulike tester etter lansering, beviste Zond 2 at de kunne fungere.
Siden den gang har forskjellige romfartøyer stolt på denne formen for fremdrift (og på en litt annen form ved bruk av ion-thrustere). Disse motorene har betydelige fordeler i forhold til konvensjonelle kjemiske raketter fordi de er enklere, lettere og mer effektive.
De er også betydelig mindre enn kjemiske thrustere. Det gjør dem nyttige for produsentene av nanosatellitter - det stadig mer vanlige romfartøyet med en masse på mindre enn 10 kilo, som ofte er litt større enn en Rubiks kube.
Men plasma thrust-motorer er ikke perfekte. Å forvandle drivmiddelet ombord til plasma og kontrollere flyten kan være en vanskelig sak som sløser med energi og noen ganger til og med skader selve motoren. Så å finne måter å forbedre plasmatrykkmotorer på er av betydelig interesse for småsatellittprodusenter.
Gå inn Adam Patel og kolleger fra Purdue University i West Lafayette, Indiana. Disse gutta har kommet opp med et nytt design for en plasma-thruster som er like liten som forgjengerne som har potensial til å bli enda mer pålitelig og effektiv.
Først litt bakgrunn om drivmidlet som plasmathrustere er avhengige av. De fleste bruker et fast drivmiddel som polytetrafluoretylen, ellers kjent som teflon. Det er enkelt å lagre, men for å brukes må det fordampes ved å føre en strøm gjennom overflaten.
Dampen blir deretter antent, og skaper en flashover som gjør den til et plasma. Plasmaet passerer deretter gjennom et elektromagnetisk felt, hvor det opplever en akselererende kraft som driver romfartøyet i motsatt retning.
Problemet er at denne ablasjonen er en hit-and-miss-prosess. Hastigheten er vanskelig å kontrollere, og dette kan gjøre skyvekraften ujevn. Teflon-overflaten brytes også noen ganger ned og sender ut rusk i form av makropartikler som forstyrrer motordriften.
Dessuten kan tenneren som utløser overslagsprosessen bli skadet over tid. Alle disse problemene begrenser til syvende og sist effektiviteten til plasmathrusterne med fast brensel til mindre enn 15 %.
En måte å omgå dette på er å lagre drivmidlet som en gass og kontrollere frigjøringen med et gassinjeksjonssystem. Dette øker effektiviteten til motoren med opptil 70 %. Men disse systemene er klumpete og komplekse, og selve gassen har et betydelig større volum enn en tilsvarende fast masse. Det gjør det vanskelig å bygge inn en nanosat.
Nå sier Patel og co at de kan fikse disse problemene ved å bruke et flytende drivmiddel. En væskematet pulserende plasmathruster kan potensielt overvinne flere ulemper forbundet med tradisjonelle pulsede plasmathrusterenheter, sier de.
Faktisk har de bygget et prinsippbevis mikrofremdriftssystem matet av væske og satt det gjennom sine skritt i et vakuumkammer. Som drivmiddel bruker de pentafenyltrimetyltrisiloksan (C33H34O2Si3), en viskøs væske med lavt damptrykk som også er et utmerket dielektrikum.
Teamet designet også et nytt lavenergi tenningssystem. Denne består av to plateelektroder adskilt av et dielektrikum. Det fungerer ved å øke spenningen over platene til en terskelverdi der dielektrikumet fordamper og blir til plasma.
I dette tilfellet er dielektrikumet det flytende drivstoffet. Plasmaet går deretter inn i de elektromagnetiske feltene, hvor det akselererer.
Fordelen med denne typen tenner er at terskelspenningen alltid er den samme, og dermed er energimengden som kreves for overslag alltid begrenset. Dette begrenser den potensielle skaden på overslagsenheten over tid.
I tester brukte Patel og co tenneren for over 1,5 millioner overslag uten å observere noen betydelig skade på enheten. Andre design kan noen ganger mislykkes etter bare 400 avfyringssykluser.
Patel og co fortsatte med å måle plasmaeksoshastigheten til 32 kilometer i sekundet. Dette tillot dem å beregne at motoren produserer en respektabel skyvekraft på opptil 5,8 newton.
Det er et solid første skritt mot bedre mikrofremdriftssystemer for nanosatellitter.
Det er imidlertid mer utviklingsarbeid i vente. En viktig oppgave vil være å designe og bygge et enkelt væskefôrsystem som fungerer pålitelig i null tyngdekraft. I disse eksperimentene injiserte forskerne væsken inn i tenneren for hånd ved hjelp av en sprøyte.
Det er ikke vanskelig å forestille seg hvordan det kan automatiseres, men væsker er notorisk vanskelige å kontrollere i null G. Så Patel og co vil få arbeidet sitt avskåret med å utvikle et enkelt system som satellittprodusenter kan stole på. Men der ligger en annen historie.
Patel og co har absolutt større ambisjoner eller enheten deres. Resultatene av denne artikkelen gir verdifull informasjon for å muliggjøre utviklingen av en flyklar flytende drevet pulserende plasmathruster, sier de. Det blir spennende å se hvordan de gjør det.
Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Flytende pulserende plasmathruster for fremdrift av nanosatellitter