Testowanie na orbicie nowego silnika plazmowego na bazie jodu

Większość ludzi prawdopodobnie zna jod jako środek dezynfekujący. Ale jeśli nie spałeś do późna podczas chemii w szkole średniej, mogłeś zobaczyć pokaz, w którym podgrzewano proszek jodu. Ponieważ temperatury topnienia i wrzenia są bardzo blisko siebie pod ciśnieniem atmosferycznym, po podgrzaniu jod z łatwością utworzy purpurowy gaz. Pod niskim ciśnieniem przechodzi bezpośrednio z ciała stałego do gazu, w procesie zwanym sublimacją.

To, jak się okazuje, może sprawić, że będzie to idealne paliwo dla formy wysoce wydajnych silników statków kosmicznych zwanych silnikami jonowymi. Chociaż przez jakiś czas był uważany za obiecującego kandydata, komercyjna firma o nazwie ThrustMe ogłasza teraz, że po raz pierwszy zademonstrowała w kosmosie silnik napędzany jodem.

siła jonowa

Rakiety polegają na reakcjach chemicznych, aby jak najszybciej wyrzucić dużą masę materiału, co pozwala im wytworzyć wystarczającą siłę ciągu, aby unieść coś w kosmos. Ale to nie jest najskuteczniejszy sposób generowania płatności – kończymy na efektywności handlu, aby uzyskać szybki pakiet potrzebny do pokonania grawitacji. W kosmosie potrzeba szybkości znika; Możemy użyć bardziej wydajnych środków do wyrzucania materii, ponieważ wolniejsze przyspieszenie jest akceptowalne dla poruszania się między różnymi orbitami.

Obecnym mistrzem wydajności jest silnik jonowy, który jest teraz używany Na wielu statkach kosmicznych. Działa poprzez wykorzystanie energii elektrycznej (zwykle generowanej przez panele słoneczne) do oderwania elektronu od neutralnego atomu, w wyniku czego powstaje jon. Naelektryzowana siatka następnie wykorzystuje interakcje elektromagnetyczne, aby wyrzucić ją ze statku kosmicznego z dużą prędkością, tworząc ciąg. Jony są ostatecznie wyrzucane z prędkością, która może być o rząd wielkości większa niż to, co może wytworzyć motyw chemiczny.

Względnie niewielka ilość materiału może zostać przyspieszona na raz, więc nie może wygenerować niczego zbliżonego do siły ciągu wytwarzanego w krótkim czasie przez rakietę chemiczną. Ale zużywa znacznie mniej materiału do wytworzenia takiego samego ciągu i może z łatwością wytworzyć równoważne przyspieszenie, jeśli zostanie mu wystarczająco dużo czasu. Innymi słowy, jeśli możesz być cierpliwy, jeśli chodzi o przyspieszenie, silnik jonowy może wykonać odpowiednik w formie, która zużywa mniej masy i mniej miejsca. To są dwa bardzo ważne względy w statkach kosmicznych.

Niezwykle ważne jest, aby ta praca nad budżetem energetycznym statku kosmicznego była materiałem, który może jonizować bez zużywania dużej ilości energii. Obecnie preferowanym materiałem jest ksenon, gaz łatwo jonizujący, znajdujący się kilka rzędów w układzie okresowym, co oznacza, że ​​każdy z jego jonów jest stosunkowo ciężki. Ale ksenon ma swoje wady. Jest stosunkowo rzadki (tylko 1 część na 10 milionów w naszej atmosferze) i musi być przechowywany w pojemnikach wysokociśnieniowych, eliminując część oszczędności wagi.

Wpisz jod

Jod wydaje się idealnym substytutem. Znajduje się obok ksenonu w układzie okresowym pierwiastków i zwykle występuje jako cząsteczka składająca się z dwóch atomów jodu, dzięki czemu ma zdolność wytwarzania większej siły ciągu dla każdego wydalonego pierwiastka. Zjonizowanie ksenonu jest łatwiejsze, ponieważ utrata elektronu wymaga 10 procent mniej energii. I w przeciwieństwie do ksenonu, szczęśliwie istnieje jako ciało stałe w odpowiednich warunkach, co znacznie upraszcza przechowywanie. Wystarczy niewielkie podgrzanie, aby zamienić go w gaz potrzebny do uruchomienia silnika jonowego.

Dużym minusem jest to, że jest to materiał powodujący korozję, co zmusiło firmę ThrustMe do używania ceramiki w przypadku większości materiałów, z którymi może się zetknąć.

Konstrukcja steru strumieniowego obejmowała solidny, wypełniony jodem zbiornik paliwa, który można było podgrzewać za pomocą grzałek oporowych zasilanych panelami słonecznymi. Sam jod znajdował się w porowatym materiale z tlenku glinu, który chronił go przed rozpadem w wyniku wibracji, jakich doświadczał podczas startu (tlenek glinu to w 95 procentach otwarta przestrzeń, więc nie marnował dużo paliwa). Zbiornik jest połączony z komorą jonizacyjną za pomocą małej rurki; Gdy system zostanie schłodzony po użyciu, w tej rurce zestala się wystarczająca ilość jodu, aby odizolować paliwo od świata zewnętrznego.

W komorze jonizacyjnej gazowy jod jest bombardowany elektronami, dezaktywując inne elektrony, co powoduje powstanie plazmy. Sąsiednia siatka elektryczna przyspieszyła następnie dodatnie jony z tej plazmy, tworząc ciąg. Elektrony były ekstrahowane z plazmy i wstrzykiwane do wiązki jonów, aby wszystko było elektrycznie neutralne.

Ekstraktory ciepła zostały przymocowane do elektroniki i ścian rurek jodowych, a ciepło zawracane do paliwa jodowego po zwolnieniu steru. Dzięki temu zapotrzebowanie na energię do odparowania jodu spadło do 1 wata, gdy silnik osiągnął stan stacjonarny.

Cała konfiguracja była niewiarygodnie kompaktowa, zajmowała tyle samo miejsca co sześcian o długości 10 centymetrów z każdej strony i ważyła zaledwie 1,2 kilograma. Pod pewnymi względami o 50 procent przewyższał silnik ksenonowy.

Demo w przestrzeni kosmicznej

Sprzęt roboczy był transportowany na 12-modułowym pojeździe sześciennym o wadze około 20 kilogramów o nazwie Beihangkongshi-1. W ciągu ostatnich dwóch lat silnik był wielokrotnie używany do poruszania satelitą w celu uniknięcia potencjalnych kolizji. Śledzenie satelitarne i monitorowanie silników pokładowych pokazują, że ster strumieniowy na bazie jodu działa dokładnie tak samo, jak podczas testów na ziemi.

Ważne jest, aby powtórzyć, że rzeczywista wielkość ciągu jest minimalna – około 0,8 milinewtonów podczas pracy. Ale silnik mógł z łatwością utrzymać to przez ponad godzinę, zapewniając wystarczający ciąg, aby przenieść go na orbitę o kilkaset metrów wyższą. Tak więc, chociaż niczego nie można umieścić na orbicie, urządzenia ThrustMe z pewnością mogą całkiem dobrze przenosić rzeczy na orbitę.

Znowu dużym ograniczeniem jest prędkość. Porusza się tylko powoli, jod zajmuje około 10 minut, aby nagrzać się na tyle, aby paliwo mogło zacząć działać. Jeśli potrzebny jest manewr awaryjny, to go nie przetnie. Ale zakładając, że nie ma nikogo eksplozja satelity W pobliżu większość zagrożeń satelitarnych można zidentyfikować z wyprzedzeniem.

charakter temperamentu, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04015-y (O DOI).