Un paio di array di nanotubi di carbonio voleranno nello spazio entro la fine dell'anno per testare la tecnologia che potrebbe fornire una micropropulsione più efficiente per le future generazioni di veicoli spaziali. Parte di un Cube Satellite (CubeSat) sviluppato dall'Air Force Institute of Technology (AFIT), gli array supporteranno quello che dovrebbe essere il primo test spaziale di nanotubi di carbonio come emettitori di elettroni.

I ricercatori del Georgia Tech Research Institute (GTRI) hanno prodotto gli array utilizzando una tecnologia unica che fa crescere fasci di nanotubi allineati verticalmente incorporati in chip di silicio. Nelle future versioni di propulsori ionici alimentati elettricamente, gli elettroni emessi dalle punte dei nanotubi di carbonio possono essere utilizzati per ionizzare un propellente gassoso come lo xeno. Il gas ionizzato verrebbe quindi espulso attraverso un ugello per fornire la spinta necessaria allo spostamento di un satellite nello spazio.

"La missione caratterizzerà quanto bene queste sorgenti di elettroni a emissione di campo operano nell'ambiente spaziale rispetto a quanto bene funzionano a terra nella camera a vuoto, "ha detto Jud Ready, un ingegnere di ricerca principale GTRI. "Le vibrazioni di lancio e l'esposizione a un ambiente spaziale che include ossigeno atomico e micrometeoriti potrebbero avere alcuni effetti insoliti sugli array. Questa missione ci aiuterà a valutare se questi emettitori di elettroni di nanotubi di carbonio potrebbero essere utilizzati nei propulsori ionici".

I propulsori ionici esistenti si basano su catodi termoionici, che utilizzano le alte temperature generate dalla corrente elettrica per produrre elettroni. Questi dispositivi richiedono quantità significative di elettricità per generare il calore, e devono consumare una parte del propellente per il loro funzionamento.

Se gli array di nanotubi di carbonio possono essere usati come emettitori di elettroni, funzionerebbero a temperature più basse con meno potenza e senza utilizzare il limitato propellente di bordo. Ciò potrebbe consentire tempi di missione più lunghi per i satelliti, o ridurre il peso dei sistemi di micropropulsione.

Gli array di nanotubi di carbonio fanno parte di ALICE, un micro-satellite CubeSat sviluppato e costruito dall'Air Force Institute of Technology presso la Wright-Patterson Air Force Base in Ohio. In una missione prevista per il 5 dicembre dalla base aerea di Vandenberg in California, ALICE cavalcherà nello spazio su un razzo Atlas V utilizzato per lanciare un carico utile separato e molto più grande. Solo 10 per 10 per 30 centimetri di dimensione, ALICE farà parte di una serie di otto CubeSat, così chiamati perché si inseriscono in piccoli lanciatori modulari collegati al satellite principale.

Il lavoro potrebbe portare a sistemi di micropropulsione migliorati utili ai piccoli veicoli spaziali, disse Jonathan Black, direttore del Center for Space Research and Assurance dell'AFIT.

"La tecnologia come i dispositivi testati su ALICE è essenziale per la nostra capacità futura di manovrare i microsatelliti o cambiare le loro orbite, " ha spiegato. "Essere in grado di incorporare la propulsione in microsatelliti come CubeSats aumenta la longevità della missione e il tipo di missioni che possono svolgere. Dimostrazioni di successo di tecnologie avanzate come quelle volate su ALICE alla fine porteranno a minori, propulsione più leggera ed efficiente dal punto di vista energetico, con conseguente riduzione dei costi di lancio e aumento delle prestazioni di tutti i satelliti che utilizzano la propulsione elettrica".

Avvalendosi di un team multidipartimentale, Gli ingegneri dell'AFIT del dipartimento di ingegneria elettrica hanno sviluppato un carico utile per esporre direttamente gli array di nanotubi di carbonio all'ambiente spaziale proteggendo al contempo un array di controllo identico all'interno del satellite. Gli array, che sono circa un centimetro quadrato, verranno accesi e spenti e il loro comportamento studiato. L'esperimento del carico utile utilizza un dispositivo sensore noto come analizzatore elettromagnetico miniaturizzato integrato (iMESA), progettato da ingegneri della U.S. Air Force Academy (USAFA). I dati raccolti dal satellite verranno scaricati ed elaborati presso l'AFIT da studenti e tecnici del Dipartimento di Aeronautica e Astronautica.

Gli array di nanotubi di carbonio sono ottimi conduttori e la loro geometria li rende emettitori di elettroni ideali.

"Utilizziamo nanotubi di carbonio perché hanno un alto rapporto di aspetto e forniscono un punto su scala nanometrica che emette gli elettroni, " ha detto Graham Sanborn, che ha lavorato al progetto come parte del suo dottorato di ricerca. tesi presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Il campo elettrico si concentra sulla punta, quindi siamo in grado di ottenere l'emissione di elettroni a tensioni inferiori a quelle che potrebbero essere richieste per altri materiali".

GTRI utilizza una serie di passaggi di deposizione e incisione per fabbricare gli array nelle camere bianche della Georgia Tech. Ogni matrice quadrata di un centimetro contiene fino a 50, 000 fasci di nanotubi, e ciascun fascio è cresciuto da un pozzo di cinque micron inciso nel silicio.

"Il design ha una geometria specifica per prevenire cortocircuiti elettrici tra elettrodi molto vicini tra loro, " ha spiegato Sanborn.

I veicoli spaziali vengono lanciati utilizzando razzi chimici che forniscono grandi quantità di spinta. Una volta in orbita, però, i veicoli possono utilizzare propulsori ad alimentazione elettrica per cambiare orbita o effettuare altre manovre.

"I propulsori ionici forniscono quantità di spinta molto basse, " ha detto Sanborn. " Stanno solo spingendo fuori le molecole di gas, ma funzionano in modo molto efficiente. I propulsori ionici possono funzionare per migliaia di ore alla volta. cumulativamente, puoi ottenere un cambiamento di velocità significativo."

L'acronimo ALICE è composto da diversi altri acronimi. La "A" rappresenta AFIT, mentre la "L" sta per LEO, l'orbita terrestre bassa in cui opererà il satellite. La "I" rappresenta il sistema iMESA; la "C" sta per i nanotubi di carbonio, mentre la "E" rappresenta "Esperimento".

Il satellite, il primo per AFIT, è stato progettato, testato e integrato da un team multidipartimentale di professori, studenti e tecnici. La partnership con GTRI e USAFA ha fornito agli studenti di ogni istituto l'opportunità di partecipare a ricerche innovative con il potenziale di avere un impatto su numerosi futuri satelliti che impiegano la propulsione elettrica.

Altre potenziali applicazioni per gli emettitori di elettroni basati su CNT di Georgia Tech includono display, cavi elettrodinamici, elettronica del vuoto e tubi a onde mobili.