(PhysOrg.com) - Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han ganado una subvención de $ 6.5 millones para desarrollar componentes mejorados que aumentarán la eficiencia de los sistemas de propulsión eléctrica utilizados para controlar las posiciones de satélites y sondas planetarias.

Centrándose en cátodos mejorados para dispositivos conocidos como propulsores de efecto Hall, la investigación reduciría el consumo de propulsante en el comercio, satélites gubernamentales y militares, permitiéndoles permanecer en órbita más tiempo, ser lanzado en cohetes más pequeños o más baratos, o transportar cargas útiles más grandes. Patrocinado por la Oficina de Ciencias de la Defensa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA-DSO), El proyecto de 18 meses busca demostrar el uso de cátodos sin propulsor con propulsores de efecto Hall.

"Aproximadamente el 10 por ciento del propulsor que se transporta al espacio en satélites que utilizan un sistema de propulsión eléctrica se desperdicia esencialmente en el cátodo hueco que forma parte del sistema, "dijo Mitchell Walker, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial de Georgia Tech e investigador principal del proyecto. "Usando emisión de campo en lugar de un cátodo hueco, podemos extraer electrones de conjuntos de cátodos hechos de nanotubos de carbono sin desperdiciar propulsor. Eso extenderá la vida útil del vehículo al usar de manera más eficiente el propulsor a bordo limitado para su propósito de propulsión ".

Para mantener sus posiciones en el espacio o reorientarse, los satélites deben utilizar pequeños propulsores que funcionan con energía química o eléctrica. Los propulsores eléctricos utilizan electrones para ionizar un gas inerte como el xenón. Los iones resultantes luego se expulsan del dispositivo para generar empuje.

En propulsores de efecto Hall existentes, un solo cátodo de alta temperatura genera los electrones. Una porción del propulsor, típicamente alrededor del 10 por ciento del suministro limitado transportado por el satélite, se usa como fluido de trabajo en el cátodo hueco tradicional. La investigación financiada por DARPA reemplazaría el cátodo hueco con una serie de cátodos de efecto de campo fabricados a partir de haces de nanotubos de carbono de paredes múltiples. Alimentado por baterías a bordo y sistemas fotovoltaicos en el satélite, las matrices funcionarían a baja potencia para producir electrones sin consumir propulsor.

Walker y colaboradores del Georgia Tech Research Institute (GTRI) ya han demostrado cátodos de efecto de campo basados ​​en nanotubos de carbono. Este trabajo fue presentado en la Conferencia Conjunta de Propulsión de la AIAA de 2009 celebrada en Denver, Colo. La financiación adicional apoyará mejoras en los dispositivos, conocidos como cátodos fríos de nanotubos de carbono, y conducir a pruebas espaciales ya en 2015.

"Este trabajo depende de nuestra capacidad para cultivar nanotubos de carbono alineados precisamente donde queremos que estén y en dimensiones exactas". "ť dijo Jud Ready, un ingeniero de investigación senior de GTRI y colaborador de Walker en el proyecto. "Este proyecto aprovecha nuestra capacidad para hacer crecer matrices de nanotubos bien alineadas y recubrirlas para mejorar su rendimiento de emisión de campo".

Además de reducir el consumo de propelente, El uso de matrices de cátodos de nanotubos de carbono podría mejorar la confiabilidad al reemplazar el cátodo único que ahora se usa en los propulsores.

"Los cátodos existentes son sensibles a la contaminación, dañado por el escape ionizado del propulsor, y tienen una vida útil limitada debido a su funcionamiento a alta temperatura, "Listo anotado." Las matrices de cátodos de nanotubos de carbono proporcionarían un cátodo distribuido alrededor del propulsor de efecto Hall de modo que si uno de ellos se daña, tendremos redundancia ".

Antes de que los cátodos de nanotubos de carbono desarrollados por Georgia Tech puedan usarse en satélites, sin embargo, su vida útil tendrá que aumentarse para igualar la de un propulsor de satélite, que suele ser 2, 000 horas o más. Los dispositivos también tendrán que soportar las tensiones mecánicas de los lanzamientos espaciales, encender y apagar rápidamente, operar consistentemente y sobrevivir al agresivo entorno espacial.

Parte del esfuerzo se centrará en materiales de recubrimiento especiales que se utilizan para proteger los nanotubos de carbono del entorno espacial. Para esa parte del proyecto, Walker y Ready están colaborando con Lisa Pfefferle en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Yale.

Los investigadores están probando sus cátodos con el mismo propulsor de efecto Busek Hall que voló en el satélite TacSat-2 de la Fuerza Aérea de EE. UU. Además, los cátodos se operarán con propulsores de efecto Hall desarrollados por Pratt &Whitney y donados a Georgia Tech. Los investigadores también están colaborando con L-3 ETI en el sistema de energía eléctrica y con American Pacific In-Space Propulsion en la calificación de vuelo del hardware.

La capacidad de controlar cátodos individuales en la matriz podría proporcionar una nueva capacidad para vectorizar el empuje, potencialmente reemplazando los cardanes mecánicos que se utilizan ahora.

El uso de nanotubos de carbono para generar electrones a través del proceso de efecto de campo fue informado en 1995 por un equipo de investigación encabezado por Walt de Heer, a professor in Georgia Tech's School of Physics. Field emission is the extraction of electrons from a conductive material through quantum tunneling that occurs when an external electric field is applied.

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