p (PhysOrg.com) - Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia ganharam uma bolsa de US $ 6,5 milhões para desenvolver componentes aprimorados que aumentarão a eficiência dos sistemas de propulsão elétrica usados ​​para controlar as posições de satélites e sondas planetárias. p Focando em catodos aprimorados para dispositivos conhecidos como propulsores de efeito Hall, a pesquisa reduziria o consumo de propelente em comerciais, satélites governamentais e militares, permitindo que eles permaneçam em órbita por mais tempo, ser lançado em foguetes menores ou mais baratos, ou transportar cargas úteis maiores. Patrocinado pelo Escritório de Ciências da Defesa da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA-DSO), o projeto de 18 meses busca demonstrar o uso de cátodos sem propulsor com propulsores de efeito Hall.

p "Cerca de 10 por cento do propelente transportado para o espaço em satélites que usam um sistema de propulsão elétrica é essencialmente desperdiçado no cátodo oco que faz parte do sistema, "disse Mitchell Walker, professor assistente na Escola de Engenharia Aeroespacial da Georgia Tech e investigador principal do projeto. "Usando a emissão de campo em vez de um cátodo oco, somos capazes de extrair elétrons de matrizes catódicas feitas de nanotubos de carbono sem desperdiçar propelente. Isso estenderá a vida útil do veículo, usando de forma mais eficiente o propelente limitado a bordo para o propósito pretendido de propulsão. "

p Para manter suas posições no espaço ou para se reorientar, os satélites devem usar pequenos propulsores que são quimicamente ou eletricamente alimentados. Propulsores movidos a eletricidade usam elétrons para ionizar um gás inerte como o xenônio. Os íons resultantes são ejetados do dispositivo para gerar impulso.

p Em propulsores de efeito Hall existentes, um único cátodo de alta temperatura gera os elétrons. Uma parte do propelente - normalmente cerca de 10% do suprimento limitado transportado pelo satélite - é usada como fluido de trabalho no cátodo oco tradicional. A pesquisa financiada pela DARPA substituiria o cátodo oco por uma série de cátodos de efeito de campo fabricados a partir de feixes de nanotubos de carbono com várias paredes. Alimentado por baterias de bordo e sistemas fotovoltaicos no satélite, as matrizes operariam em baixa potência para produzir elétrons sem consumir propelente.

p Walker e colaboradores do Georgia Tech Research Institute (GTRI) já demonstraram catodos de efeito de campo baseados em nanotubos de carbono. Este trabalho foi apresentado na Conferência Conjunta de Propulsão AIAA 2009 realizada em Denver, Colo. O financiamento adicional apoiará melhorias nos dispositivos, conhecidos como cátodos frios de nanotubos de carbono, e levar a testes espaciais já em 2015.

p "Este trabalho depende da nossa capacidade de cultivar nanotubos de carbono alinhados exatamente onde queremos e em dimensões exatas, "ť disse Jud Ready, um engenheiro de pesquisa sênior da GTRI e colaborador de Walker no projeto. "Este projeto aproveita nossa capacidade de cultivar matrizes bem alinhadas de nanotubos e revesti-los para melhorar seu desempenho de emissão de campo."

p Além de reduzir o consumo de propelente, o uso de matrizes de cátodo de nanotubos de carbono pode melhorar a confiabilidade, substituindo o cátodo único agora usado nos propulsores.

p "Os cátodos existentes são sensíveis à contaminação, danificado pela exaustão ionizada do propulsor, e têm vida útil limitada devido à sua operação em alta temperatura, "Pronto anotado." Os arranjos de cátodo de nanotubo de carbono forneceriam um cátodo distribuído ao redor do propulsor de efeito Hall para que, se um deles fosse danificado, teremos redundância. "

p Antes que os cátodos de nanotubos de carbono desenvolvidos pela Georgia Tech possam ser usados ​​em satélites, Contudo, sua vida útil terá que ser aumentada para coincidir com a de um propulsor de satélite, que é normalmente 2, 000 horas ou mais. Os dispositivos também terão que suportar as tensões mecânicas dos lançamentos espaciais, liga e desliga rapidamente, operar de forma consistente e sobreviver ao ambiente espacial agressivo.

p Parte do esforço se concentrará em materiais de revestimento especiais usados ​​para proteger os nanotubos de carbono do ambiente espacial. Para essa parte do projeto, Walker e Ready estão colaborando com Lisa Pfefferle no Departamento de Engenharia Química da Universidade de Yale.

p Os pesquisadores estão testando seus cátodos com o mesmo propulsor de efeito Busek Hall que voou no satélite TacSat-2 da Força Aérea dos EUA. Além disso, os cátodos serão operados com propulsores de efeito Hall desenvolvidos pela Pratt &Whitney e doados à Georgia Tech. Os pesquisadores também estão colaborando com o L-3 ETI no sistema de energia elétrica e com a American Pacific In-Space Propulsion na qualificação de voo do hardware.

p A capacidade de controlar cátodos individuais na matriz pode fornecer uma nova capacidade de vetorar o empuxo, potencialmente substituindo os cardan mecânicos agora usados.

p O uso de nanotubos de carbono para gerar elétrons através do processo de efeito de campo foi relatado em 1995 por uma equipe de pesquisa liderada por Walt de Heer, professor da Escola de Física da Georgia Tech. Field emission is the extraction of electrons from a conductive material through quantum tunneling that occurs when an external electric field is applied.

p The improved carbon nanotube cathodes should advance the goals of reducing the cost of launching and maintaining satellites.

p "Thrust with less propellant has been one of the major goals driving research into satellite propulsion, "ť said Walker, who is director of Georgia Tech's High-Power Electric Propulsion Laboratory. "Electric propulsion is becoming more popular and will benefit from our innovation. Ultimately, we will help improve the performance of in-space propulsion devices."

p Provided by Georgia Institute of Technology