Festmetallbrennstoff für Nano-Satellitentriebwerke

Als ich bei Google Scholar nach Jonathan Lun bei Hypernova suchte , fand ich den Titel Entwicklung eines Vakuumbogen-Triebwerks für den Nanosatellitenantrieb und dann fand ich Luns These Entwicklung eines Vakuumbogen-Triebwerks für den Nanosatellitenantrieb

Ich werde nicht das Ganze lesen, ich denke, ein anderer Antwortautor kann das tun. Stattdessen werde ich hier Materialprobleme und Physik im Zusammenhang mit der Herstellung von Metallionen ansprechen.

Siehe auch

• MARS-KATZE; Was ist ein Cubesat Ambipolar Thruster und wie funktioniert er?
• Auf welche Art von Motor bezieht sich dieser Isp = 1600? Ist es Cubesat-freundlich?
• Haben Sie Milch? Warum wird der Begriff "Kolloid" in "Kolloid- oder Elektrospray-Triebwerk" verwendet?
• Kolloidale oder Elektrospray-Triebwerke - irgendwelche Vorteile gegenüber Ionen-Triebwerken?
• Erzeugung eines elektrischen Feldes für ein Kolloidtriebwerk (derzeit unbeantwortet)
• Beziehung zwischen Teileabmessungen und Leistung des Ionen-Elektrospray-Triebwerks (derzeit unbeantwortet)
• Von LEO zum Mond nur mit Ionenantrieb mit niedrigem Schub – ist das möglich?
• Was ist ein Lithium-gefütterter GIT? Wie funktioniert es?

Von Hypernova Space Technologies (zum Vergrößern anklicken):

Wenn es ein Metallgas ist

Im Allgemeinen arbeiten Ionenquellen in der Gasphase, so dass Sie ein Plasma aufrechterhalten können, so dass neutrale Atome viele Male von energetischen Elektronen getroffen werden können, bis man Glück hat und es ionisiert. Dann zieht es ein elektrisches Feld durch ein Loch oder Gitter heraus und beschleunigt es. Der Druck liegt normalerweise ungefähr an dem Punkt, an dem ein Zusammenbruch nicht allzu schwierig ist. Leuchtstoffröhren sind zum Beispiel ein paar Torr.

• Paschensches Gesetz

Das Erhitzen eines Metalls mit hohem Dampfdruck könnte also eine Möglichkeit sein, aber jetzt haben Sie im Grunde eine superineffiziente Glühbirne.

Anstatt ein Plasma zu erzeugen, können Sie auch die Oberflächenionisation verwenden . Sie verwenden ein Alkalimetall der Gruppe 1 mit hohem Dampfdruck (z. B. Cäsium) und verdampfen es in Gegenwart eines Katalysators wie (wahrscheinlich heißes) Platin, das freundlicherweise sein "überflüssiges" Elektron der Gruppe I entfernt.

Zumindest machst du eher einen Toaster als eine Glühbirne.

Es ist keine Art Flüssigmetall-Feldionisationsgerät, aber wenn es so wäre...

Ein besserer Weg wäre die Verwendung von Feldionisation und/oder einer Flüssigmetall-Ionenquelle . Ich habe sowohl ein Gallium- als auch ein Gold-LIMS hergestellt. Gold schmolz und floss zur Spitze einer Wolframnadel, wo es durch das hohe elektrische Feld ionisiert wurde. Gallium befand sich in einem Glaskapillarröhrchen und ein winziger Gegendruck drückte es in das Feld, wo elektrostatische Kräfte (hohes elektrisches Feld) den flüssigen Meniskus zu einer flüssigen scharfen Spitze herauszogen.

In beiden Fällen lag der Krümmungsradius der Flüssigkeitsspitzen in der Größenordnung von einem Mikrometer, so dass das elektrische Feld in der Größenordnung von 10 Volt pro Angström lag. An diesem Punkt findet eine Feldionisation statt und Metallionen werden von allen Atomen an der Oberfläche abgerissen.

Ein Triebwerk kann aus Tausenden oder Millionen von nanofabrizierten Nadeln und etwas flüssigem Metall hergestellt werden, das bei niedriger Temperatur auf sie fließt. Es gibt viele Niedertemperatur- Eutektika , aber Gallium ist ein großartiges Ausgangsmaterial; Sie können es in Ihrer Hand schmelzen. (29,76 °C)

Siehe diese Antwort auf Fehlerbehebung bei einem DIY-Ionentriebwerk für eine detaillierte Diskussion der Feldionisierung. Obwohl es sich eher um ein Umgebungsgas als um eine Flüssigkeit handelt, ist das Grundprinzip dasselbe.

Es enthält auch Links zu Miniatur-Ionen-Elektrospray-Triebwerken und Leistungstests für Cubesats; SSC12-VI-5 , das die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck beschreibt (hier möchten Sie nicht, dass sie verdampfen!), aber ionische Flüssigkeiten sind nur ein bequemerer Ersatz für ein Metall, wie in dieser Antwort auf Why can't we besprochen ein riesiges stationäres optisches Teleskop in einer Senke ähnlich dem FAST bauen? die die Verwendung einer sich drehenden Wanne mit ionischer Flüssigkeit anstelle von Quecksilber beschreibt, um einen riesigen reflektierenden Teleskopspiegel auf dem Mond herzustellen.

Miniatur-Ionen-Elektrospray-Triebwerke, die am MIT entwickelt werden, eröffnen eine neue Reihe von Möglichkeiten für Anwendungen, die Präzisionsschub erfordern, oder für das Design von Nanosatellitenmissionen. Mit einem spezifischen Impuls (Isp) von mehr als 2500 Sekunden, keinen beweglichen Teilen und drucklosen Tanks mit flüssigem Treibstoff ohne Dampfdruck können sie in Cubesat-kompatible Multi-Thruster-Baugruppen integriert werden. Neben der aktuellen Entwicklung von cubesat-kompatiblen Prototypen für Leistungstests im Weltraum werden in diesem Beitrag die Technologie und die Triebwerksleistungen beschrieben. Die im Rahmen dieser Forschungsanstrengungen zu entwickelnde Baugruppe passt in 1/3 eines 1U-CubeSats und ist so konzipiert, dass sie eine feine dreiachsige Lagekontrolle und präzise Schubkraft bietet, um ein Gesamt-Delta-V von über 200 m/s an 3U-CubeSats zu liefern ( 3 kg). Das übergeordnete Ziel ist es, die Leistung der Triebwerke als Präzisionsaktuatoren im Flug zu bewerten. Mögliche Nanosat-Anwendungen umfassen Lagekontrolle und Präzisionsausrichtung, Orbitalanpassungen, Konstellationskontrolle und -wartung, Formationsflug, Wiedereintritt, Trümmerbeseitigung und andere Manöver.

links: Abb. 1. In Silizium hergestellte iEPS-Module (SPL). rechts: Abb. 2 Elektronenmikroskopische Aufnahmen von in porösen Metallen mikrogefertigten ionenemittierenden Strukturen ⁶ (zum Vergrößern anklicken)

⁶ D. Courtney und P. Lozano, Electrochemical micromachining on porous nickel for arrays of electrospray ion emitters, Journal of Microelectromechanical Systems (eingereicht) (2012)

Aus dieser DIY-Thruster-Antwort :

unten: Folie 52 von Ionenquellen Ionisations- und Desorptionsverfahren erklärt, dass das extrem starke Feld der Ordnung 1E+10 V/m, das zum Ionisieren von Atomen benötigt wird, von einer Nadel bei einem Potential von 10 kV erhalten wird, wenn der Krümmungsradius der Spitze auf 10 verringert wird Mikrometer . Solange der Abstand zum Boden groß ist, spielt es keine Rolle, ob es 1 cm oder 10 cm sind. Aus Sicht des Feldes an der scharfen Spitze ist das fast unendlich. Fast der gesamte Potentialabfall findet im ersten Millimeter oder so statt, und das Feld ist nur hoch genug, um Atome oder Moleküle ganz an der Spitze zu ionisieren.

Quelle