Um par de matrizes de nanotubos de carbono estará voando no espaço até o final do ano para testar a tecnologia que poderia fornecer micropropulsão mais eficiente para as futuras gerações de espaçonaves. Parte de um satélite Cube (CubeSat) desenvolvido pelo Instituto de Tecnologia da Força Aérea (AFIT), os arranjos apoiarão o que se espera seja o primeiro teste espacial de nanotubos de carbono como emissores de elétrons.

Pesquisadores do Georgia Tech Research Institute (GTRI) produziram as matrizes usando uma tecnologia exclusiva que desenvolve feixes de nanotubos alinhados verticalmente incorporados em chips de silício. Em futuras versões de propulsores de íons movidos a eletricidade, elétrons emitidos das pontas de nanotubos de carbono podem ser usados ​​para ionizar um propelente gasoso, como o xenônio. O gás ionizado seria então ejetado através de um bico para fornecer impulso para mover um satélite no espaço.

"A missão irá caracterizar o quão bem essas fontes de elétrons de emissão de campo operam no ambiente espacial em relação a quão bem elas funcionam no solo na câmara de vácuo, "disse Jud Ready, um engenheiro de pesquisa principal da GTRI. "Vibrações de lançamento e exposição a um ambiente espacial que inclui oxigênio atômico e micrometeoritos podem ter alguns efeitos incomuns nas matrizes. Esta missão nos ajudará a avaliar se esses emissores de elétrons de nanotubos de carbono poderiam ser usados ​​em propulsores de íons."

Os propulsores de íons existentes dependem de cátodos termiônicos, que usam altas temperaturas geradas pela corrente elétrica para produzir elétrons. Esses dispositivos requerem quantidades significativas de eletricidade para gerar calor, e deve consumir uma parte do propelente para sua operação.

Se os arranjos de nanotubos de carbono podem ser usados ​​como emissores de elétrons, eles operariam em temperaturas mais baixas com menos energia - e sem usar o propelente de bordo limitado. Isso poderia permitir tempos de missão mais longos para os satélites, ou reduzir o peso dos sistemas de micropropulsão.

Os arranjos de nanotubos de carbono são parte de ALICE, um micro-satélite CubeSat desenvolvido e construído pelo Instituto de Tecnologia da Força Aérea na Base Aérea Wright-Patterson em Ohio. Em uma missão programada para 5 de dezembro da Base da Força Aérea de Vandenberg, na Califórnia, ALICE irá ao espaço em um foguete Atlas V sendo usado para lançar uma carga útil separada e muito maior. Com apenas 10 por 10 por 30 centímetros de tamanho, ALICE fará parte de uma série de oito CubeSats - assim chamados porque se encaixam em pequenos lançadores modulares acoplados ao satélite principal.

O trabalho pode levar a melhores sistemas de micropropulsão úteis para pequenas espaçonaves, disse Jonathan Black, diretor do Centro de Pesquisa e Garantia Espacial do AFIT.

"Tecnologia como os dispositivos que estão sendo testados no ALICE é essencial para nossa capacidade futura de manobrar microssatélites ou mudar suas órbitas, "ele explicou." Ser capaz de incorporar propulsão em microssatélites como o CubeSats aumenta a longevidade da missão e os tipos de missões que eles podem realizar. Demonstrações bem-sucedidas de tecnologias avançadas, como aquelas que estão sendo pilotadas no ALICE, acabarão por levar a menores, propulsão mais leve e com maior eficiência energética, resultando na redução dos custos de lançamento, aumentando o desempenho de todos os satélites que usam propulsão elétrica. "

Utilizando uma equipe multidepartamental, Os engenheiros do AFIT no Departamento de Engenharia Elétrica desenvolveram uma carga útil para expor diretamente as matrizes de nanotubos de carbono ao ambiente espacial, enquanto protegem uma matriz de controle idêntica dentro do satélite. As matrizes, que têm aproximadamente um centímetro quadrado, serão ligados e desligados e seu comportamento estudado. O experimento de carga útil utiliza um dispositivo sensor conhecido como Analisador Eletromagnético Miniaturizado Integrado (iMESA), projetado por engenheiros da Academia da Força Aérea dos EUA (USAFA). Os dados coletados do satélite serão baixados e processados ​​no AFIT por alunos e técnicos do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica.

Os arranjos de nanotubos de carbono são excelentes condutores e sua geometria os torna emissores de elétrons ideais.

"Usamos nanotubos de carbono porque eles têm uma alta proporção de aspecto e fornecem um ponto em nanoescala que emite os elétrons, "disse Graham Sanborn, que trabalhou no projeto como parte de seu doutorado. tese na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "O campo elétrico se concentra na ponta para que possamos obter a emissão de elétrons em tensões mais baixas do que seria necessário para outros materiais."

A GTRI usa uma série de etapas de deposição e gravação para fabricar as matrizes em salas limpas na Georgia Tech. Cada matriz quadrada de um centímetro contém até 50, 000 feixes de nanotubos, e cada feixe é cultivado a partir de uma cova de cinco mícrons gravada no silício.

"O projeto tem geometria específica para evitar curto-circuito entre eletrodos que estão muito próximos, "explicou Sanborn.

As naves espaciais são lançadas usando foguetes químicos que fornecem grandes quantidades de empuxo. Uma vez em órbita, Contudo, os veículos podem usar propulsores movidos a eletricidade para mudar as órbitas ou fazer outras manobras.

"Os propulsores de íons fornecem quantidades muito baixas de impulso, "Sanborn disse." Eles estão apenas empurrando as moléculas de gás, mas eles operam de forma muito eficiente. Os propulsores de íons podem operar por milhares de horas por vez. Cumulativamente, você pode obter uma mudança significativa de velocidade. "

A sigla ALICE é composta por várias outras siglas. O "A" representa AFIT, enquanto o "L" é para LEO - a órbita baixa da Terra onde o satélite irá operar. O "I" representa o sistema iMESA; o "C" é para os nanotubos de carbono, enquanto o "E" representa "Experiência".

O satélite, o primeiro para AFIT, foi designado, testado e integrado por uma equipe multi-departamental de professores, alunos e técnicos. A parceria com o GTRI e a USAFA proporcionou aos alunos de cada instituição uma oportunidade de participar de pesquisas inovadoras com potencial para impactar numerosos satélites futuros que empregam propulsão elétrica.

Outras aplicações potenciais para emissores de elétrons baseados em CNT da Georgia Tech incluem monitores, amarras eletrodinâmicas, eletrônica de vácuo e tubos de ondas viajantes.