Een nieuwe op jodium gebaseerde plasma-thruster in een baan om de aarde testen

De meeste mensen zijn waarschijnlijk bekend met jodium vanwege zijn rol als ontsmettingsmiddel. Maar als je laat opblijft tijdens scheikunde op de middelbare school, heb je misschien een show gezien waarin jodiumpoeder werd verwarmd. Omdat het smelt- en kookpunt bij atmosferische druk zeer dicht bij elkaar liggen, zal jodium bij verhitting gemakkelijk een paars gas vormen. Bij lage druk gaat het rechtstreeks van een vaste stof naar een gas, een proces dat sublimatie wordt genoemd.

Dit, zo blijkt, zou het de ideale brandstof kunnen maken voor een vorm van zeer efficiënte stuwraketten voor ruimtevaartuigen die ionenmotoren worden genoemd. Hoewel het al een tijdje als een veelbelovende kandidaat werd beschouwd, kondigt een commercieel bedrijf genaamd ThrustMe nu aan dat het voor het eerst een door jodium aangedreven boegschroef in de ruimte heeft gedemonstreerd.

ionen sterkte

Raketten vertrouwen op chemische reacties om een ​​grote massa materiaal zo snel mogelijk te verdrijven, waardoor ze voldoende stuwkracht kunnen genereren om iets de ruimte in te tillen. Maar dat is niet de meest efficiënte manier om betalingen te genereren – we eindigen met handelsefficiëntie om het snelle pakket te krijgen dat nodig is om de zwaartekracht te verslaan. Eenmaal in de ruimte verdwijnt de behoefte aan snelheid; We kunnen efficiëntere middelen gebruiken om materie te verdrijven, omdat een langzamere versnelling acceptabel is om dingen tussen verschillende banen te verplaatsen.

De huidige efficiëntiekampioen is de ionische boegschroef, die nu is gebruikt Op een aantal ruimtevaartuigen. Het werkt door elektriciteit (meestal opgewekt door zonnepanelen) te gebruiken om een ​​elektron van een neutraal atoom te strippen, wat resulteert in een ion. Het geëlektrificeerde rooster gebruikt vervolgens elektromagnetische interacties om het met hoge snelheid uit het ruimtevaartuig te verdrijven, waardoor stuwkracht ontstaat. De ionen worden uiteindelijk uitgestoten met snelheden die een orde van grootte groter kunnen zijn dan wat een chemisch motief kan produceren.

Een relatief kleine hoeveelheid materiaal kan in één keer worden versneld, dus dit kan niet in de buurt komen van de hoeveelheid stuwkracht die in korte tijd door een chemische raket wordt geproduceerd. Maar het gebruikt veel minder materiaal om dezelfde hoeveelheid stuwkracht te produceren en kan gemakkelijk een gelijkwaardige versnelling produceren als het genoeg tijd krijgt. Met andere woorden, als u geduldig kunt zijn met uw acceleratie, kan een ionenmotor het equivalent doen in een vorm die minder massa en minder ruimte gebruikt. Dit zijn twee zeer belangrijke overwegingen in ruimtevaartuigen.

Het is van cruciaal belang om dit te laten werken op het energiebudget van het ruimtevaartuig, een materiaal dat kan ioniseren zonder dat het veel energie nodig heeft. Momenteel is het favoriete materiaal xenon, een gas dat gemakkelijk te ioniseren is en zich enkele rijen lager in het periodiek systeem bevindt, wat betekent dat elk van zijn ionen relatief zwaar is. Maar xenon heeft zijn nadelen. Het is relatief zeldzaam (slechts 1 deel per 10 miljoen in onze atmosfeer) en moet worden bewaard in hogedrukcontainers, waardoor een deel van de gewichtsbesparing wordt geëlimineerd.

Voer jodium in

Jodium blijkt een ideale vervanger te zijn. Het staat naast xenon in het periodiek systeem en wordt meestal gevonden als een molecuul dat bestaat uit twee atomen jodium, dus het heeft het vermogen om meer stuwkracht te produceren voor elk element dat wordt verdreven. Het is gemakkelijker om xenon te ioniseren, omdat het 10 procent minder energie kost om een ​​elektron te verliezen. En in tegenstelling tot xenon, bestaat het gelukkig als een vaste stof onder de relevante omstandigheden, waardoor opslag veel eenvoudiger wordt. Slechts een beetje verwarming verandert het in het gas dat nodig is om de ionenmotor te laten draaien.

Het grote nadeel is dat het een corrosief materiaal is, waardoor ThrustMe gedwongen is keramiek te gebruiken voor de meeste materialen waarmee het in contact kan komen.

Het boegschroefontwerp omvatte een met jodium gevulde brandstoftank die kon worden verwarmd met weerstandsverwarmers die werden aangedreven door zonnepanelen. Het jodium zelf zat in een poreus aluminiumoxidemateriaal dat ervoor zorgde dat het niet uiteenviel door de trillingen die het tijdens de lancering ervoer (aluminiumoxide is voor 95 procent open ruimte, dus het leverde niet veel brandstofopslag op). De tank is via een buisje verbonden met de ionisatiekamer; Wanneer het systeem na gebruik wordt afgekoeld, zal er in deze buis voldoende jodium stollen om de brandstof van de buitenwereld te isoleren.

Eenmaal in de ionisatiekamer wordt het jodiumgas gebombardeerd met elektronen, waardoor de andere elektronen worden geïnactiveerd, wat resulteert in de vorming van een plasma. Het aangrenzende elektriciteitsnet versnelde vervolgens de positieve ionen van dit plasma, waardoor een stuwkracht ontstond. Er werden elektronen uit het plasma gehaald en in de ionenstraal geïnjecteerd om alles elektrisch neutraal te houden.

Warmte-extractors werden bevestigd aan de elektronica en de wanden van de jodiumbuis, waarbij de warmte werd teruggevoerd naar de jodiumbrandstof toen de boegschroef werd vrijgegeven. Hierdoor bleef de energiebehoefte voor het verdampen van jodium beperkt tot 1 watt zodra de boegschroef een stabiele toestand had bereikt.

De hele opstelling was ongelooflijk compact, nam dezelfde hoeveelheid ruimte in beslag als een kubus van 10 centimeter lang aan elke kant en een gewicht van slechts 1,2 kilogram. Door sommige maatregelen presteerde hij 50 procent beter dan een xenonmotor.

Demo in de ruimte

De werkuitrusting werd vervoerd in een kubusvormig voertuig met 12 modules van ongeveer 20 kilogram, Beihangkongshi-1 genaamd. En in de afgelopen twee jaar is de boegschroef verschillende keren gebruikt om de satelliet te verplaatsen om mogelijke botsingen te voorkomen. Satellietvolging en monitoring aan boord van de boegschroef laten zien dat de op jodium gebaseerde boegschroef precies werkt zoals tijdens het testen op de grond.

Het is belangrijk om te herhalen dat de werkelijke hoeveelheid stuwkracht minimaal is – ongeveer 0,8 millinewton tijdens bedrijf. Maar de boegschroef kon dat gemakkelijk meer dan een uur volhouden, waardoor hij genoeg stuwkracht had om hem in een baan om de aarde te brengen die een paar honderd meter hoger was. Dus hoewel er nooit iets in een baan om de aarde kan worden gebracht, kunnen ThrustMe-apparaten dingen zeker vrij goed in een baan om de aarde brengen.

De grote beperking is opnieuw snelheid. Het beweegt slechts langzaam, het duurt ongeveer 10 minuten voordat het jodium voldoende is opgewarmd om het drijfgas te laten werken. Als er een noodmanoeuvre nodig is, zal dat niet lukken. Maar, ervan uitgaande dat er niemand is satelliet explosie In uw omgeving kunnen de meeste satellietgevaren vooraf worden geïdentificeerd.

de natuur temperen, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04015-j (Over DOI’s).