Los investigadores de Georgia Tech Jud Ready (izquierda) y Graham Sanborn posan con equipos utilizados para cultivar nanotubos de carbono en el Georgia Tech Research Institute (GTRI) en Atlanta. Los nanotubos se están probando para su uso potencial en futuros sistemas de propulsión de iones alimentados eléctricamente. Crédito:Rob Felt
Un par de matrices de nanotubos de carbono volarán en el espacio a finales de año para probar la tecnología que podría proporcionar una micropropulsión más eficiente para las generaciones futuras de naves espaciales. Parte de un satélite Cube (CubeSat) desarrollado por el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea (AFIT), las matrices soportarán lo que se espera sea la primera prueba espacial de nanotubos de carbono como emisores de electrones.
Los investigadores del Georgia Tech Research Institute (GTRI) produjeron las matrices utilizando una tecnología única que hace crecer paquetes de nanotubos alineados verticalmente incrustados en chips de silicio. En futuras versiones de propulsores de iones eléctricos, Los electrones emitidos por las puntas de los nanotubos de carbono pueden usarse para ionizar un propulsor gaseoso como el xenón. Luego, el gas ionizado sería expulsado a través de una boquilla para proporcionar empuje para mover un satélite en el espacio.
"La misión caracterizará qué tan bien operan estas fuentes de electrones de emisión de campo en el entorno espacial en relación con qué tan bien funcionan en el suelo en una cámara de vacío, "dijo Jud Ready, un ingeniero de investigación principal de GTRI. "Las vibraciones de lanzamiento y la exposición a un entorno espacial que incluye oxígeno atómico y micrometeoritos podrían tener algunos efectos inusuales en las matrices. Esta misión nos ayudará a evaluar si estos emisores de electrones de nanotubos de carbono podrían usarse en propulsores de iones".
Los propulsores de iones existentes se basan en cátodos termoiónicos, que utilizan altas temperaturas generadas por la corriente eléctrica para producir electrones. Estos dispositivos requieren cantidades importantes de electricidad para generar el calor, y deben consumir una parte del propulsor para su funcionamiento.
Si las matrices de nanotubos de carbono se pueden utilizar como emisores de electrones, operarían a temperaturas más bajas con menos energía y sin usar el propulsor a bordo limitado. Eso podría permitir tiempos de misión más largos para los satélites, o reducir el peso de los sistemas de micropropulsión.
Las matrices de nanotubos de carbono son parte de ALICE, un microsatélite CubeSat desarrollado y construido por el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Ohio. En una misión programada para el 5 de diciembre desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California, ALICE viajará al espacio en un cohete Atlas V que se utilizará para lanzar una carga útil separada y mucho más grande. Solo 10 por 10 por 30 centímetros de tamaño, ALICE formará parte de una serie de ocho CubeSats, llamados así porque encajan en pequeños lanzadores modulares conectados al satélite principal.
El trabajo podría conducir a mejores sistemas de micropropulsión útiles para pequeñas naves espaciales, dijo Jonathan Black, director del Centro de Investigación y Garantía Espacial de AFIT.
Una representación artística muestra cómo se verá ALICE CubeSat en el espacio. Desarrollado y construido por el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea, el microsatélite probará el funcionamiento de los nanotubos de carbono como emisores de electrones en el espacio. Crédito:Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea
"La tecnología como los dispositivos que se están probando en ALICE es esencial para nuestra capacidad futura de maniobrar microsatélites o cambiar sus órbitas, ", explicó." Ser capaz de incorporar propulsión en microsatélites como CubeSats aumenta la longevidad de la misión y los tipos de misiones que pueden realizar. Las demostraciones exitosas de tecnologías avanzadas como las que se implementan en ALICE finalmente conducirán a propulsión más ligera y con mayor eficiencia energética, lo que resulta en menores costos de lanzamiento al tiempo que aumenta el rendimiento de todos los satélites que utilizan propulsión eléctrica ".
Utilizando un equipo multidepartamental, Los ingenieros de AFIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica desarrollaron una carga útil para exponer directamente las matrices de nanotubos de carbono al entorno espacial mientras protegían una matriz de control idéntica dentro del satélite. Las matrices, que son aproximadamente un centímetro cuadrado, se encenderán y apagarán y se estudiará su comportamiento. El experimento de carga útil utiliza un dispositivo sensor conocido como Analizador Electromagnético Miniaturizado Integrado (iMESA), diseñado por ingenieros de la U.S. Air Force Academy (USAFA). Los datos recopilados del satélite serán descargados y procesados en AFIT por estudiantes y técnicos del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica.
Las matrices de nanotubos de carbono son excelentes conductores y su geometría las convierte en emisores de electrones ideales.
"Usamos nanotubos de carbono porque tienen una relación de aspecto alta y proporcionan un punto a nanoescala que emite los electrones, "dijo Graham Sanborn, quien trabajó en el proyecto como parte de su Ph.D. tesis en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "El campo eléctrico se enfoca en la punta, por lo que podemos obtener una emisión de electrones a voltajes más bajos que los requeridos para otros materiales".
GTRI utiliza una serie de pasos de deposición y grabado para fabricar las matrices en salas blancas en Georgia Tech. Cada matriz de un centímetro cuadrado contiene hasta 50, 000 paquetes de nanotubos, y cada paquete se hace crecer a partir de un hueso de cinco micrones grabado en el silicio.
"El diseño tiene una geometría específica para evitar cortocircuitos eléctricos entre electrodos que están muy juntos, "explicó Sanborn.
Esta imagen de microscopio muestra haces de nanotubos de carbono que crecen en hoyos en este microchip de silicio. La imagen insertada muestra una sección transversal de cómo se cultivan los manojos en los pozos. Crédito:Graham Sanborn
Las naves espaciales se lanzan utilizando cohetes químicos que proporcionan grandes cantidades de empuje. Una vez en órbita, sin embargo, los vehículos pueden utilizar propulsores eléctricos para cambiar de órbita o realizar otras maniobras.
"Los propulsores de iones proporcionan cantidades muy bajas de empuje, "Dijo Sanborn." Simplemente están expulsando moléculas de gas, pero funcionan de manera muy eficiente. Los propulsores de iones pueden funcionar durante miles de horas seguidas. Acumulativamente, puede lograr un cambio de velocidad significativo ".
El acrónimo ALICE se compone de varios otros acrónimos. La "A" representa AFIT, mientras que la "L" es para LEO - la órbita terrestre baja donde operará el satélite. La "I" representa el sistema iMESA; la "C" es para los nanotubos de carbono, mientras que la "E" representa "Experimento".
El satélite el primero para AFIT, fue diseñado, probado e integrado por un equipo de profesores multidepartamental, estudiantes y técnicos. La asociación con GTRI y USAFA brindó a los estudiantes de cada institución la oportunidad de participar en investigaciones innovadoras con el potencial de impactar en numerosos satélites futuros que emplean propulsión eléctrica.
Otras aplicaciones potenciales para los emisores de electrones basados en CNT de Georgia Tech incluyen pantallas, correas electrodinámicas, electrónica de vacío y tubos de ondas viajeras.
