Ksenon ustępuje miejsca bardziej opłacalnym i konkurencyjnym paliwom do silników satelitów
W ciągu ostatniego dziesięciolecia liczba małych satelitów orbitujących wokół Ziemi stale się zwiększała za sprawą niewielkich urządzeń elektronicznych i mniejszych kosztów wyniesienia na orbitę. Z kolei w nadchodzących latach operatorzy satelitów, w tym OneWeb i StarLink, planują wynieść na orbitę tysiące tych urządzeń, aby rozszerzyć dostęp do internetu i usprawnić obserwację Ziemi. Zwykle systemy napędu elektrycznego zasilające małe satelity zawierają w sobie skomplikowane układy elektroniczne i wykorzystują gazy pędne, takie jak ksenon lub krypton, które są drogie i trudno dostępne.
Łatwo dostępne i oszczędne alternatywy dla standardowego paliwa do silników satelitów
Badacze z finansowanego ze środków UE projektu iFACT opracowali innowacyjną architekturę silnika oraz tańsze paliwo alternatywne z myślą o zwiększeniu konkurencyjności na rynku napędu elektrycznego. Ich zainteresowanie wzbudził jod - pierwiastek występujący naturalnie w glebie i oceanach, który może skutecznie zastąpić ksenon. Jego wykorzystanie jako materiału napędowego znacząco upraszcza architekturę układu podawania paliwa, przynosząc istotne oszczędności. Choć jod ma mniej więcej taki sam ciężar co ksenon, gęstość magazynowania jodu jest trzykrotnie wyższa niż ksenonu, co pozwala zredukować masę układu podawania. Jak wyjaśnia Franz Georg Hey, koordynator projektu: „Opracowaliśmy i zaprezentowaliśmy kluczowe elementy budulcowe, które umożliwią wykorzystanie jodu jako materiału napędowego w silnikach elektrycznych. Od początku 2020 roku powstały trzy różne silniki zasilane jodem (o mocy od 10 do 1000 W), z których jeden został skutecznie połączony z platformą CubeSat zaprojektowaną przez Endurosat”.
Optymalizacja architektury pod kątem jodu
Zaprojektowany przez firmę Airbus zaawansowany silnik sterujący (ang. advanced cusp field thruster, ACFT) jest obiecującym silnikiem elektrycznym zasilanym jodem. Zapłon silnika zbudowanego z pary magnesów, dwóch nadbiegunników, anody magnetycznej i dielektrycznej komory wyładowania jest prosty, a po uruchomieniu zapewniona jest stabilność plazmy. “Silnik 300W ACFT pracował przez ponad 3000 h w specjalnej instalacji próżniowej przystosowanej do jodu, opracowanej przez partnera projektu, włoską firmę Aerospazio Technologie. Jest to bardzo ważne osiągnięcie w kontekście użycia jodu jako materiału pędnego, które pokazuje, że możliwe jest podanie kilku kilogramów jodu do jednego silnika”, zauważa Georg Hey. Na granicach anody materiał pędny jest podawany do komory wyładowania silnika. U wylotu silnika pusta katoda emituje elektrony neutralizujące wydzielaną wiązkę jonową i utrzymuje wyładowanie plazmy. Zespół zaprojektował puste katody, które dostarczają elektrony na potrzeby zarówno wytworzenia plazmy, jak i neutralizacji wiązki. Generujące dużą ilość plazmy puste katody nagrzewają się i dostosowują spadek swojego napięcia, zapewniając wewnętrzne nagrzewanie niezbędne do wyładowania jonów. Badacze eksperymentowali z różnymi materiałami katody, by sprawdzić ich zgodność z jodem. „Jednym z potencjalnie kompatybilnych z jodem, obiecującym materiałem katody jest glinian wapnia (C12A7). Naładowane dodatnio jony jodu, które są przyspieszane przez pole elektryczne, zapewniają napęd. Po opuszczeniu silnika dodatnio naładowane jony jodu zostają ponownie zneutralizowane poprzez dodanie elektronów do prądu w celu uniknięcia ujemnego naładowania elektrycznego w satelicie”. Ponadto materiał ten posiada mniejszą funkcję pracy w porównaniu do powszechnie stosowanego heksaborku lantanu (LaB6). Ostatecznie zespół projektu zademonstrował, że przy niskim ciśnieniu cząstkowym jod nie powoduje degradacji satelity i jest wobec tego bezpieczny jako materiał napędowy. Badacze dostarczyli wystarczającą ilość danych na temat zachowania się jodu w obecności materiałów używanych w badanym systemie napędowym. Teraz mają nadzieję, że zastosowanie jodu pomoże nie tylko w zmniejszeniu kosztów paliwa i jego objętości, ale także umożliwi budowę znacząco mniejszych i lżejszych modułów napędu.
Słowa kluczowe
iFACT, jod, satelita, ksenon, napęd elektryczny, plazma, pusta katoda, zaawansowany silnik sterujący