Ett par kolnanorörsmatriser kommer att flyga i rymden i slutet av året för att testa teknik som kan ge effektivare mikroframdrivning för framtida generationer av rymdfarkoster. Del av en kubsatellit (CubeSat) utvecklad av Air Force Institute of Technology (AFIT), arrayerna kommer att stödja vad som förväntas bli den första rymdbaserade testningen någonsin av kolnanorör som elektronsändare.

Forskare vid Georgia Tech Research Institute (GTRI) producerade arrayerna med hjälp av unik teknik som odlar buntar av vertikalt inriktade nanorör inbäddade i kiselchips. I framtida versioner av elektriskt drivna jontrustare, elektroner som emitteras från kolnanorörsspetsarna kan användas för att jonisera ett gasformigt drivmedel såsom xenon. Den joniserade gasen skulle sedan kastas ut genom ett munstycke för att ge dragkraft för att flytta en satellit i rymden.

"Uppdraget kommer att känneteckna hur väl dessa fältemissionselektronkällor fungerar i rymdmiljön i förhållande till hur bra de fungerar på marken i vakuumkammare, " sa Jud Ready, en GTRI:s forskningsingenjör. "Starta vibrationer och exponering för en rymdmiljö som innehåller atomiskt syre och mikrometeoriter kan ha några ovanliga effekter på matriserna. Detta uppdrag hjälper oss att utvärdera om dessa kolnanorörselektroner kan användas i jontrusorer."

Befintliga jonpropeller är beroende av termioniska katoder, som använder höga temperaturer som genereras av elektrisk ström för att producera elektroner. Dessa enheter kräver betydande mängder el för att generera värmen, och måste förbruka en del av drivmedlet för deras drift.

Om kolnanorörsmatriserna kan användas som elektronsändare, de skulle arbeta vid lägre temperaturer med mindre effekt-och utan att använda det begränsade drivmedlet ombord. Det kan ge längre uppdragstider för satelliter, eller minska vikten på mikroframdrivningssystemen.

Kolnanorörsarrayerna är en del av ALICE, en CubeSat mikrosatellit utvecklad och byggd av Air Force Institute of Technology vid Wright-Patterson Air Force Base i Ohio. På ett uppdrag planerat till den 5 december från Vandenberg Air Force Base i Kalifornien, ALICE kommer att åka ut i rymden på en Atlas V -raket som används för att skjuta upp en separat och mycket större nyttolast. Bara 10 gånger 10 gånger 30 centimeter i storlek, ALICE kommer att ingå i en uppsättning av åtta CubeSats – så namngivna eftersom de passar in i små modulära bärraketer kopplade till huvudsatelliten.

Arbetet kan leda till förbättrade mikrodrivsystem som är användbara för små rymdfarkoster, sa Jonathan Black, chef för Center for Space Research and Assurance vid AFIT.

"Teknik som enheterna som testas på ALICE är avgörande för vår framtida förmåga att manövrera mikrosatelliter eller ändra deras banor, "förklarade han." Att kunna införliva framdrivning i mikrosatelliter som CubeSats ökar uppdragets livslängd och de typer av uppdrag de kan utföra. Framgångsrika demonstrationer av avancerad teknik som de som flygs på ALICE kommer i slutändan att leda till mindre, lättare och mer energieffektiv framdrivning, vilket resulterar i minskade lanseringskostnader samtidigt som prestandan för alla satelliter som använder elektrisk framdrivning ökar. "

Använda ett multi-avdelningsteam, AFIT-ingenjörer på Electrical Engineering Department utvecklade en nyttolast för att direkt exponera kolnanorörsarrayerna för rymdmiljön samtidigt som de skyddade en identisk kontrollarray i satelliten. Matriserna, som är ungefär en kvadratcentimeter, kommer att slås på och av och deras beteende studeras. Nyttolastförsöket använder en sensoranordning som kallas Integrated Miniaturized Electromagnetic Analyzer (iMESA), designad av ingenjörer vid U.S. Air Force Academy (USAFA). Data som samlas in från satelliten kommer att laddas ner och bearbetas på AFIT av studenter och tekniker vid Institutionen för flygteknik och astronautik.

Kolnanorörsarrayerna är utmärkta ledare och deras geometri gör dem till perfekta elektronstrålare.

"Vi använder kolnanorör eftersom de har ett högt bildförhållande och ger en nanoskalapunkt som avger elektronerna, sa Graham Sanborn, som arbetade med projektet som en del av sin doktorsexamen avhandling vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering. "Det elektriska fältet fokuserar på spetsen så att vi kan få elektronemission vid lägre spänningar än vad som kan krävas för andra material."

GTRI använder en serie deponerings- och etsningssteg för att tillverka matriserna i renrum på Georgia Tech. Varje kvadratisk array på en centimeter innehåller så många som 50, 000 nanorörsbuntar, och varje bunt odlas från en fem mikron grop etsad i kislet.

"Designen har specifik geometri för att förhindra elektrisk kortslutning mellan elektroder som är mycket nära varandra, " förklarade Sanborn.

Rymdfarkoster skjuts upp med hjälp av kemiska raketer som ger stora mängder dragkraft. Väl i omloppsbana, dock, fordonen kan använda eldrivna thrusterar för att byta banor eller göra andra manövrer.

"Jonpropeller ger mycket låga dragkrafter, " sa Sanborn. "De trycker bara ut gasmolekyler, men de fungerar mycket effektivt. Jonpropeller kan arbeta i tusentals timmar åt gången. Kumulativt, du kan uppnå en betydande hastighetsförändring. "

ALICE-akronymen är sammansatt av flera andra akronymer. "A" representerar AFIT, medan "L" är för LEO - den låga jordbana där satelliten kommer att fungera. "I" representerar iMESA-systemet; "C" är för kolnanorören, medan "E" representerar "Experiment".

Satelliten, den första för AFIT, var designad, testad och integrerad av ett team med flera avdelningar av professorer, studenter och tekniker. Partnerskapet med GTRI och USAFA gav studenter vid varje institution en möjlighet att delta i banbrytande forskning med potential att påverka många framtida satelliter som använder elektrisk framdrivning.

Andra potentiella applikationer för Georgia Techs CNT-baserade elektronemitrar inkluderar skärmar, elektrodynamiska tjuder, vakuumelektronik och resande vågrör.