En liten satellit under uppbyggnad vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kan öppna nya horisonter inom rymdutforskning. Studenter vid Princeton University bygger enheten, kallas en kubisk satellit, eller CubeSat, som en testbädd för en miniatyriserad raketpropeller med unika funktioner som utvecklas på PPPL.

Thrusteren, vars utveckling leds av PPPL-fysikern Yevgeny Raitses, har löftet om ökad flexibilitet för CubeSats uppdrag, mer än 1, 000 av dem har lanserats av universitet, forskningscentra och kommersiella intressen runt om i världen. Den föreslagna framdrivningsanordningen – som drivs av plasma – skulle kunna höja och sänka banorna för CubeSats som kretsar runt jorden, en förmåga som inte är allmänt tillgänglig för små rymdfarkoster idag, och skulle ha potential för utforskning av rymden. "Väsentligen, vi kommer att kunna använda dessa miniatyrpropeller för många uppdrag, sa Raitses.

Hundratals mikrodrivna CubeSats

Ett exempel:Hundratals sådana mikrodrivna CubeSats föreställs av fysikern Masaaki Yamada, huvudutredare för PPPL Magnetic Reconnection Experiment (MRX), som studerar magnetisk återanslutning - separationen och explosiva knäppning av magnetfältlinjer i plasma som utlöser auroror, soluppblåsningar och geomagnetiska stormar som kan störa mobiltelefontjänster och elnät på jorden. Sådana CubeSat-flottor kunde i detalj fånga återkopplingsprocessen i magnetosfären, magnetfältet som omger jorden, sa Yamada.

Den miniatyriserade motorn skalar ner en cylindrisk thruster med en hög volym-till-yta geometri utvecklad vid PPPL Hall Thruster Experiment (HTX), som Raitses leder och lanserade tillsammans med PPPL-fysikern Nat Fisch 1999. Experimentet undersöker användningen av plasma – materiens tillstånd som består av fritt svävande elektroner och atomkärnor, eller joner – för rymdframdrivning.

Viktig fördel

En viktig fördel med den miniatyriserade cylindriska hallpropellern är dess förmåga att producera en högre rakettdensitet än befintliga plasmastuschrar som används för de flesta CubeSats som nu kretsar kring jorden. Den miniatyriserade thrustern kan uppnå både ökad densitet och en hög specifik impuls - den tekniska termen för hur effektivt en raket bränner bränsle - som kommer att vara många gånger större än den som produceras av kemiska raketer och kallgaspropeller som vanligtvis används på små satelliter.

Högspecifika impulspropeller använder mycket mindre bränsle och kan förlänga satellituppdrag, gör dem mer kostnadseffektiva. Lika viktigt är det faktum att en hög specifik impuls kan producera en tillräckligt stor ökning av en satellits rörelsemängd för att göra det möjligt för rymdfarkosten att ändra omloppsbanor – en funktion som inte är tillgänglig på CubeSats som för närvarande kretsar. Till sist, hög dragkraftstäthet kommer att göra det möjligt för satelliter att utföra komplexa bränsleoptimerade banor på rimlig tid.

Dessa funktioner ger många fördelar. Till exempel, en CubeSat kan sjunka till en lägre bana för att spåra orkaner eller övervaka strandlinjeändringar och återgå till en högre bana där dragkraften på en satellit är svagare, kräver mindre bränsle för framdrivning.

Den ungefär fotlånga CubeSat, som Princeton har kallat en "TigerSat, " består av tre nästan fyra tums aluminiumkuber staplade vertikalt tillsammans. Sensorer, batterier, radioutrustning och andra instrument kommer att fylla CubeSat, med en miniatyriserad propeller ungefär lika stor i diameter som två amerikanska kvarter som är inrymda i vardera änden. En thruster kommer att skjuta för att ändra omloppsbanor när satelliten passerar jordens ekvator.

Maskin- och rymdingenjörstudenter

Bygger CubeSat är ett tiotal Princeton -doktorander och studenter på Institutionen för mekanisk och rymdteknik, med Daniel Marlow, Evans Crawford 1911 professor i fysik, fungerar som fakultetsrådgivare. Studenter inkluderar Andrew Redd, som leder design och konstruktion av CubeSat, och Seth Freeman, som arbetar heltid med projektet över sommaren. Arbetar med thrusterutveckling är Jacob Simmonds, en tredje års civilingenjörsstudent, vars avhandlingsrådgivare är Raitses och Yamada. "Detta projekt började som en prototyp av Yamadas CubeSat och har utvecklats till ett eget projekt som en testbädd för plasmapropellern, Sa Simmonds.

Även under uppbyggnad på PPPL är en testanläggning utformad för att simulera nyckelaspekter av CubeSats drift. Studenter som arbetar på sin egen tid bygger satelliten och denna anläggning. "I den mån som studenter och deras rådgivare har identifierat väldefinierade frågor associerade med TigerSat-projektet, de kan få oberoende arbetskredit, " sa Marlow. "Också, några problemuppsättningar i den inledande fysikkursen för studenter som jag undervisar har frågor relaterade till TigerSat-färdplanen."

Simmonds, medan du arbetar med thrusteren, håller på att utarbeta ett förslag till NASA:s Cubic Satellite Launch Initiative (CSLI) som kommer i november. Projekt som valts ut av initiativet, som främjar offentlig-privata teknikpartnerskap och teknik för låg kostnadsteknik, ha lanseringskostnader täckta för kommersiella fordon och NASA-fordon. Planerna kräver en lansering av TigerSat hösten 2021.

Värdet av samarbete

För Raitses, detta projekt visar värdet av att Princetons ingenjörsstudenter samarbetar med PPPL och att universitetsfakulteten samarbetar med laboratoriet. "Detta är något som är ömsesidigt fördelaktigt, " han sa, "och något som vi vill uppmuntra."