(PhysOrg.com) – Forskare vid Georgia Institute of Technology har vunnit ett anslag på 6,5 miljoner dollar för att utveckla förbättrade komponenter som kommer att öka effektiviteten hos elektriska framdrivningssystem som används för att kontrollera positionerna för satelliter och planetsonder.

Fokus på förbättrade katoder för enheter som kallas Hall-effektpropeller, forskningen skulle minska förbrukningen av drivmedel i kommersiella, statliga och militära satelliter, låta dem stanna kvar i omloppsbana längre, avfyras på mindre eller billigare raketer, eller bära större nyttolaster. Sponsras av U.S. Defense Advanced Research Projects Agency Defense Sciences Office (DARPA-DSO), 18-månadersprojektet syftar till att demonstrera användningen av drivgasfria katoder med Hall-effektpropeller.

"Omkring 10 procent av drivmedlet som transporteras ut i rymden på satelliter som använder ett elektriskt framdrivningssystem är i huvudsak bortkastat i den ihåliga katoden som är en del av systemet, sa Mitchell Walker, en biträdande professor vid Georgia Techs School of Aerospace Engineering och projektets huvudutredare. "Att använda fältemission snarare än en ihålig katod, vi kan dra elektroner från katodmatriser gjorda av kolnanorör utan att slösa med drivmedel. Det kommer att förlänga fordonets livslängd genom att mer effektivt använda det begränsade drivmedlet ombord för dess avsedda framdrivningsändamål."

För att behålla sina positioner i rymden eller att omorientera sig, satelliter måste använda små thrustrar som är antingen kemiskt eller elektriskt drivna. Elektriskt drivna thrusters använder elektroner för att jonisera en inert gas som xenon. De resulterande jonerna kastas sedan ut från enheten för att generera dragkraft.

I befintliga Hall-effekt thrusters, en enda högtemperaturkatod genererar elektronerna. En del av drivmedlet - vanligtvis cirka 10 procent av det begränsade utbudet som satelliten bär - används som en arbetsvätska i den traditionella ihåliga katoden. Den DARPA-finansierade forskningen skulle ersätta den ihåliga katoden med en rad fälteffektkatoder tillverkade av buntar av flerväggiga kolnanorör. Drivs av batterier ombord och solcellssystem på satelliten, arrayerna skulle arbeta med låg effekt för att producera elektroner utan att förbruka drivmedel.

Walker och medarbetare vid Georgia Tech Research Institute (GTRI) har redan visat fälteffektkatoder baserade på kolnanorör. Detta arbete presenterades vid 2009 AIAA Joint Propulsion Conference som hölls i Denver, Colo. Den extra finansieringen kommer att stödja förbättringar av enheterna, kända som kolnanorörs kalla katoder, och leda till rymdtestning redan 2015.

"Detta arbete beror på vår förmåga att odla inriktade kolnanorör exakt där vi vill att de ska vara och till krävande dimensioner, "Sade Jud Ready, en senior forskningsingenjör från GTRI och Walkers samarbetspartner i projektet. "Detta projekt utnyttjar vår förmåga att odla väljusterade arrayer av nanorör och att belägga dem för att förbättra deras fältutsläppsprestanda."

Förutom att minska förbrukningen av drivmedel, Användning av kolnanorörskatoduppsättningar skulle kunna förbättra tillförlitligheten genom att ersätta den enda katod som nu används i propellerna.

"Befintliga katoder är känsliga för kontaminering, skadad av det joniserade avgasröret från thrustern, och har begränsad livslängd på grund av deras höga temperaturer, " Ready noterade. "Katoduppsättningarna av kolnanorör skulle ge en distribuerad katod runt Hall-effektpropellern så att om en av dem skadas, vi kommer att få redundans."

Innan kolnanorörskatoderna utvecklade av Georgia Tech kan användas på satelliter, dock, deras livslängd måste ökas för att matcha den för en satellitpropeller, vilket vanligtvis är 2, 000 timmar eller mer. Enheterna måste också motstå de mekaniska påfrestningarna från rymduppskjutningar, slå på och av snabbt, arbeta konsekvent och överleva den aggressiva rymdmiljön.

En del av arbetet kommer att fokusera på speciella beläggningsmaterial som används för att skydda kolnanorören från rymdmiljön. För den delen av projektet, Walker och Ready samarbetar med Lisa Pfefferle på Institutionen för kemiteknik vid Yale University.

Forskarna testar sina katoder med samma Busek Hall-effektpropell som flög på det amerikanska flygvapnets TacSat-2-satellit. Dessutom, katoderna kommer att drivas med Hall-effektpropeller utvecklade av Pratt &Whitney och donerade till Georgia Tech. Forskarna samarbetar också med L-3 ETI om det elektriska kraftsystemet och med American Pacific In-Space Propulsion om flygkvalificering av hårdvaran.

Möjligheten att styra individuella katoder på matrisen kan ge en ny förmåga att vektorera dragkraften, potentiellt ersätter de mekaniska kardanbanden som nu används.

Användningen av kolnanorör för att generera elektroner genom fälteffektprocessen rapporterades 1995 av en forskargrupp under ledning av Walt de Heer, en professor vid 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