Un moteur spatial plus efficace utilise des nanotubes de carbone

Les systèmes de propulsion ionique ont propulsé une poignée d'engins spatiaux en orbite autour de la Terre et interplanétaires au cours des 50 dernières années. Aujourd'hui, les chercheurs du Georgia Institute of Technology développent des propulseurs ioniques plus efficaces qui utilisent des nanotubes de carbone pour un composant vital.

Émetteurs efficaces : Une micrographie de réseaux carrés de nanotubes de carbone sur une plaquette de silicium d'un centimètre sur un centimètre. Les réseaux sont conçus pour être utilisés dans une cathode expérimentale.

La propulsion ionique fonctionne en accélérant des particules chargées électriquement ou ionisées pour propulser un vaisseau spatial. L'un des moteurs ioniques les plus courants, connu sous le nom de propulseur à effet Hall, ionise le gaz à l'aide d'électrons piégés dans un champ magnétique. Les ions résultants sont ensuite accélérés en utilisant le potentiel maintenu entre une anode et une cathode. Mais certains des électrons émis doivent également être utilisés pour neutraliser les ions du panache émis par l'engin spatial, afin d'éviter que l'engin spatial ne se charge électriquement. Les propulseurs à effet Hall existants doivent utiliser environ 10 % du gaz propulseur au xénon du vaisseau spatial pour créer les électrons nécessaires à la fois à faire fonctionner le moteur et à neutraliser le faisceau d'ions.

Les chercheurs de Georgia Tech ont créé une cathode à émission de champ pour le propulseur à l'aide de nanotubes de carbone. Dans ce type de cathode, les électrons sont émis après avoir traversé une barrière de potentiel. La conception des nanotubes de carbone est particulièrement efficace car les nanotubes sont incroyablement solides et conducteurs d'électricité. En utilisant des nanotubes de carbone, nous pouvons obtenir tous les électrons dont nous avons besoin sans utiliser de propulseur, explique Mitchell Walker , chercheur principal de le projet et professeur assistant à la Laboratoire de propulsion électrique de haute puissance à Georgia Tech. Cela signifie que 10 % de plus de propulseur du propulseur ionique est disponible pour la mission réelle, prolongeant ainsi la durée de vie d'un vaisseau spatial.

Nous pouvons tirer les électrons de la pointe du matériau à moins de 0,25 volts par micron, ce qui en fait un système extrêmement efficace, dit Jud prêt , co-chercheur principal du projet. En revanche, les cathodes creuses classiquement utilisées dans les propulseurs ioniques nécessitent une électronique lourde et doivent être chauffées à des milliers de degrés pour obtenir une tension suffisante.

De plus, comme les nanotubes sont minces et légers, ils peuvent être appliqués à la surface du corps du propulseur, permettant potentiellement au vaisseau spatial de transporter des charges utiles plus importantes et de s'adapter à des lanceurs plus petits. Walker a présenté un article sur la nouvelle cathode plus tôt cette année au Conférence et exposition conjointes sur les propulsions à Denver et affirme que le nouveau système pourrait être prêt à être lancé dans trois à cinq ans.

Meilleure poussée : Une cathode en nanotubes de carbone est montée sur une installation expérimentale à l'intérieur d'un propulseur ionique.

L'examen des nanotubes de carbone pour les cathodes est une approche relativement nouvelle, mais l'une des nombreuses qui ont été étudiées au cours de la dernière décennie, explique Michael Patterson, chercheur principal du nouveau système de propulsion ionique qui fait partie du propulseur au xénon évolutif de la NASA (NEXT) programme. Les chercheurs de Centre de recherche Glenn de la NASA ont étudié l'utilisation de microstructures faites de matériaux semblables au diamant, mais ont eu des difficultés à les utiliser. En général, ils ont une courte durée de vie lorsqu'ils sont soumis à des environnements érosifs ou fonctionnent à des courants très faibles, explique Patterson.

Pour créer les cathodes de nanotubes de carbone, les chercheurs de Georgia Tech cultivent les nanotubes de carbone multiparois en utilisant du plasma au lieu du dépôt chimique en phase vapeur conventionnel. Nous devons pouvoir contrôler finement la hauteur des nanotubes de carbone, qui pour notre conception est de 10 microns, explique Ready.

Busek, une entreprise de propulsion spatiale basée à Natick, MA, développe également des cathodes à nanotubes de carbone qui sont déjà certifiées spatiales. Ready dit que les chercheurs entretiennent de bonnes relations avec l'entreprise et seraient intéressés à travailler avec elle pour commercialiser leur propre technologie.

Les chercheurs de Georgia Tech ont démontré la durabilité de leurs nanotubes de carbone en montrant qu'ils peuvent survivre aux vibrations subies lors du lancement. Les nanotubes ont une durée de vie de plus de 368 heures. Le groupe a reçu une subvention de 6,5 millions de dollars de la DARPA, la branche recherche et développement du département américain de la Défense, et a entamé une deuxième phase de tests.

Les nanotubes de carbone sont un domaine de recherche digne d'intérêt qui pourrait améliorer les performances globales du système, explique Patterson. Il ajoute que les cathodes à nanotubes de carbone peuvent être les plus adaptées aux engins spatiaux de faible puissance et aux petits satellites, car la technologie des cathodes standard est la plus interdite sur ces systèmes. Une grande partie du propulseur est gaspillée sur la cathode.

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