Dodanie C12A7:e- do katod i neutralizatorów usprawnia napędy elektryczne
W ostatnich latach byliśmy świadkami wzrostu popularności napędów elektrycznych w satelitach realizujących misje na niskiej orbicie okołoziemskiej, które wypierają swoje chemiczne odpowiedniki. Jednym ze zjawisk, którym muszą przeciwdziałać takie satelity jest zacieśnianie się orbity - stopniowe zmniejszanie się ich odległości od Ziemi. Z tego powodu potrzebują wydajnych systemów napędowych o niskim ciągu, dzięki którym będą w stanie utrzymać zadaną wysokość. Mniejsze satelity wymagają również mniejszych i lżejszych komponentów. Napędy elektryczne spełniają oba te wymagania. Jednym z kluczowych problemów pozostaje jednak konieczność wykorzystywania rzadkich i kosztownych surowców na potrzeby wytwarzania katod oraz materiałów pędnych w nowoczesnych układach elektrycznych. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu NEMESIS podjął próbę rozwiązania obu tych problemów dzięki wykorzystaniu przełomowego materiału, który może być wytwarzany w przystępny cenowo sposób na terenie Europy z niedrogich, lokalnie dostępnych i powszechnie występujących prekursorów.
C12A7:e- - alternatywny emiter elektronów
Surowce wykorzystywane do wytwarzania katod mają dwa zadania. Pierwszym z nich jest emitowanie elektronów bombardujących gazy napędowe w celu wytworzenia jonów dodatnich, które są przyspieszane i wyrzucane w celu popchnięcia obiektu do przodu. Drugim jest emitowanie dodatkowych elektronów, których celem jest neutralizacja dodatniego ładunku nagromadzonego na samym obiekcie. „Większość katod i neutralizatorów wykorzystywanych w napędach elektrycznych wytwarzana jest z sześcioborku lantanu (LaB6), który jest wykorzystywany jako emiter elektronów, z kolei ksenon jest powszechnie używany w roli gazu pędnego. Zarówno lantan, jak i ksenon są rzadkimi i kosztownymi surowcami, a trwająca wojna w Ukrainie dodatkowo komplikuje sytuację”, wyjaśnia Ángel Post, przedstawiciel spółki Advanced Thermal Devices i koordynator projektu NEMESIS. Zespół projektu NEMESIS skoncentrował swoje wysiłki na nowym materiale ceramicznym nazwanym C12A7:e-, charakteryzującego się nie tylko przystępną ceną oraz popularnością, ale także niższą temperaturą progową, której przekroczenie skutkuje emisją elektronów. Dzięki temu wykorzystanie go oznacza niższe zapotrzebowanie na energię i mniejsze naprężenia termiczne przenoszone na pozostałe komponenty i podzespoły satelitów. Naukowcy oczekiwali także, że nowy surowiec ceramiczny będzie także bardziej obojętny chemicznie niż LaB6, co umożliwi wykorzystanie innych gazów pędnych.
Impulsowa polaryzacja rozwiązaniem niestabilnego wytwarzania elektronów
Badacze skupieni w ramach konsorcjum projektu potwierdzili na drodze badań wszystkie założenia, ustalając jednocześnie, że wiele parametrów przekracza szacunkowe wartości. Dzięki temu udało się obniżyć temperaturę pracy z 800-1300 °C wymagane przez alternatywne emitery elektronów do zaledwie 200-250 °C. Takie rozwiązanie wyeliminowało potrzebę stosowania zewnętrznego źródła ciepła, drogich materiałów odpornych na wysokie temperatury w podzespołach oraz osłon zabezpieczających komponenty przed promieniowaniem cieplnym. W toku badań naukowcy udowodnili możliwość wykorzystania nowego surowca z wieloma alternatywnymi gazami napędowymi, w tym argonem, kryptonem, a nawet amoniakiem, które mogą zastąpić konwencjonalny ksenon. W ramach przeprowadzonych przez zespół projektu NEMESIS badaniach nowe katody pracowały przez tysiące godzin w wielu laboratoriach, co pozwoliło na potwierdzenie spójnych i powtarzalnych rezultatów. Jak zauważają badacze: „Rozwiązaliśmy najbardziej istotny problem dotyczący wykorzystania C12A7:e-, czyli iskrzenie oraz niestabilność spowodowane gromadzeniem się ładunków w cienkiej warstwie dielektrycznej na jego powierzchni, które powodują nieprawidłowe działanie, a nawet topnienie. Opracowaliśmy w związku z tym rozwiązanie, jakim są opatentowane techniki sprzęgania ładunków poprzez impulsową polaryzację materiału”, zauważa Post. Co więcej, polaryzacja impulsowa pozwala na osiągnięcie dwukrotnie większego prądu i umożliwiła konsorcjum uzyskać emisję elektronów w temperaturach niższych niż podawane przez innych badaczy. Zespół opracował i pomyślnie przetestował szereg prototypów wykorzystujących ksenon, argon, krypton, jod i amoniak. Zostały one z powodzeniem połączone z komercyjnymi silnikami Halla, co pozwoliło na zapewnienie wysokiej sprawności oraz doskonałych osiągów.
Niezależna europejska produkcja przystępnych cenowo napędów satelitów
W ramach realizacji projektu NEMESIS odbyły się także 24 prezentacje na dziewięciu międzynarodowych konferencjach i warsztatach dla przedstawicieli sektora kosmicznego w Europie, a jego badacze opublikowali osiem recenzowanych publikacji, które popularyzują rozwiązanie i wspierają jego wdrożenie. Pomimo zakończenia prac rozwiązania są dopracowywane w ramach trzech nowych projektów oraz dwóch umów zakładających współpracę z podmiotami przemysłowymi. Dzięki tym działaniom Europa znalazła się na dobrej drodze do zapewnienia swojemu dynamicznie rozwijającemu się rynkowi małych satelitów przystępnego cenowo, energooszczędnego i sprawnego napędu elektrycznego, zwiększającego konkurencyjność europejskich rozwiązań na rozwijającym się rynku globalnym.
Słowa kluczowe
NEMESIS, napęd, napęd elektryczny, satelita, materiał pędny, katoda, emiter elektronów, polaryzacja impulsowa, ceramika, niska orbita okołoziemska