(PhysOrg.com) - I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno vinto una sovvenzione di $ 6,5 milioni per sviluppare componenti migliorati che aumenteranno l'efficienza dei sistemi di propulsione elettrica utilizzati per controllare le posizioni dei satelliti e delle sonde planetarie.

Concentrandosi su catodi migliorati per dispositivi noti come propulsori ad effetto Hall, la ricerca ridurrebbe il consumo di propellente in ambito commerciale, satelliti governativi e militari, permettendo loro di rimanere in orbita più a lungo, essere lanciato su razzi più piccoli o più economici, o trasportare carichi utili più grandi. Sponsorizzato dall'Ufficio per le scienze della difesa dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa degli Stati Uniti (DARPA-DSO), il progetto di 18 mesi cerca di dimostrare l'uso di catodi senza propellente con propulsori ad effetto Hall.

"Circa il 10 percento del propellente trasportato nello spazio sui satelliti che utilizzano un sistema di propulsione elettrica è essenzialmente sprecato nel catodo cavo che fa parte del sistema, " ha detto Mitchell Walker, un assistente professore presso la School of Aerospace Engineering della Georgia Tech e il ricercatore principale del progetto. "Usando l'emissione di campo piuttosto che un catodo cavo, siamo in grado di estrarre elettroni da array di catodi realizzati con nanotubi di carbonio senza sprecare propellente. Ciò prolungherà la vita del veicolo utilizzando in modo più efficiente il limitato propellente di bordo per lo scopo di propulsione previsto".

Per mantenere le loro posizioni nello spazio o per riorientarsi, i satelliti devono utilizzare piccoli propulsori alimentati chimicamente o elettricamente. I propulsori ad alimentazione elettrica utilizzano gli elettroni per ionizzare un gas inerte come lo xeno. Gli ioni risultanti vengono quindi espulsi dal dispositivo per generare spinta.

Nei propulsori ad effetto Hall esistenti, un singolo catodo ad alta temperatura genera gli elettroni. Una parte del propellente, in genere circa il 10% della fornitura limitata trasportata dal satellite, viene utilizzata come fluido di lavoro nel tradizionale catodo cavo. La ricerca finanziata dalla DARPA sostituirebbe il catodo cavo con una serie di catodi ad effetto di campo fabbricati da fasci di nanotubi di carbonio a parete multipla. Alimentato da batterie di bordo e impianti fotovoltaici sul satellite, gli array funzionerebbero a bassa potenza per produrre elettroni senza consumare propellente.

Walker e collaboratori del Georgia Tech Research Institute (GTRI) hanno già dimostrato catodi ad effetto di campo basati su nanotubi di carbonio. Questo lavoro è stato presentato alla Joint Propulsion Conference dell'AIAA 2009 tenutasi a Denver, Colo. Il finanziamento aggiuntivo sosterrà miglioramenti nei dispositivi, noti come catodi freddi di nanotubi di carbonio, e portare a test spaziali già nel 2015.

"Questo lavoro dipende dalla nostra capacità di far crescere nanotubi di carbonio allineati esattamente dove vogliamo che siano e di dimensioni precise, "ť ha detto Jud Ready, un ingegnere di ricerca senior GTRI e collaboratore di Walker al progetto. "Questo progetto sfrutta la nostra capacità di far crescere array di nanotubi ben allineati e di rivestirli per migliorare le loro prestazioni di emissione sul campo".

Oltre a ridurre il consumo di propellente, l'uso di array di catodi di nanotubi di carbonio potrebbe migliorare l'affidabilità sostituendo il singolo catodo ora utilizzato nei propulsori.

"I catodi esistenti sono sensibili alla contaminazione, danneggiato dallo scarico ionizzato del propulsore, e hanno una durata limitata a causa del loro funzionamento ad alta temperatura, " Ready ha osservato. "Gli array di catodi di nanotubi di carbonio fornirebbero un catodo distribuito attorno al propulsore ad effetto Hall in modo che se uno di essi è danneggiato, avremo il licenziamento".

Prima che i catodi di nanotubi di carbonio sviluppati da Georgia Tech possano essere utilizzati sui satelliti, però, la loro durata dovrà essere aumentata per eguagliare quella di un propulsore satellitare, che è tipicamente 2, 000 ore o più. I dispositivi dovranno anche resistere alle sollecitazioni meccaniche dei lanci spaziali, accendere e spegnere rapidamente, operare in modo coerente e sopravvivere all'ambiente spaziale aggressivo.

Parte dello sforzo si concentrerà su materiali di rivestimento speciali utilizzati per proteggere i nanotubi di carbonio dall'ambiente spaziale. Per quella parte del progetto, Walker e Ready stanno collaborando con Lisa Pfefferle nel Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università di Yale.

I ricercatori stanno testando i loro catodi con lo stesso propulsore ad effetto Busek Hall che ha volato sul satellite TacSat-2 dell'aeronautica statunitense. Inoltre, i catodi saranno azionati con propulsori ad effetto Hall sviluppati da Pratt &Whitney e donati a Georgia Tech. I ricercatori stanno anche collaborando con L-3 ETI sul sistema di alimentazione elettrica e con American Pacific In-Space Propulsion sulla qualifica di volo dell'hardware.

La capacità di controllare i singoli catodi sull'array potrebbe fornire una nuova capacità di vettore della spinta, potenzialmente sostituendo i gimbal meccanici ora utilizzati.

L'uso di nanotubi di carbonio per generare elettroni attraverso il processo ad effetto di campo è stato segnalato nel 1995 da un gruppo di ricerca guidato da Walt de Heer, un professore alla School of Physics della Georgia Tech. L'emissione di campo è l'estrazione di elettroni da un materiale conduttivo attraverso il tunneling quantistico che si verifica quando viene applicato un campo elettrico esterno.

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