Δοκιμή ενός νέου προωθητή πλάσματος με βάση το ιώδιο σε τροχιά

Οι περισσότεροι άνθρωποι είναι πιθανώς εξοικειωμένοι με το ιώδιο λόγω του ρόλου του ως απολυμαντικού. Αλλά αν ξενυχτούσατε μέχρι αργά κατά τη διάρκεια της χημείας στο γυμνάσιο, μπορεί να είχατε δει μια παράσταση όπου η σκόνη ιωδίου ζεσταινόταν. Δεδομένου ότι τα σημεία τήξης και βρασμού είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο σε ατμοσφαιρική πίεση, το ιώδιο θα σχηματίσει εύκολα ένα μωβ αέριο όταν θερμανθεί. Σε χαμηλή πίεση, μεταβαίνει απευθείας από μια στερεή σε μια αέρια κατάσταση, μια διαδικασία που ονομάζεται εξάχνωση.

Αυτό, αποδεικνύεται, θα μπορούσε να το καταστήσει το ιδανικό καύσιμο για μια μορφή εξαιρετικά αποδοτικών προωθητών διαστημικών σκαφών που ονομάζονται προωθητές ιόντων. Ενώ θεωρείται πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για λίγο, μια εμπορική εταιρεία που ονομάζεται ThrustMe ανακοινώνει τώρα ότι έχει επιδείξει έναν προωθητή με ιώδιο στο διάστημα για πρώτη φορά.

δύναμη ιόντων

Οι πύραυλοι βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις για να αποβάλουν μια μεγάλη μάζα υλικού όσο το δυνατόν γρηγορότερα, επιτρέποντάς τους να δημιουργήσουν αρκετή ώθηση για να σηκώσουν κάτι στο διάστημα. Αλλά αυτός δεν είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία πληρωμών – καταλήγουμε στην αποτελεσματικότητα των συναλλαγών προκειμένου να λάβουμε το γρήγορο πακέτο που απαιτείται για να νικήσουμε τη βαρύτητα. Μόλις στο διάστημα, η ανάγκη για ταχύτητα εξαφανίζεται. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πιο αποτελεσματικά μέσα για την αποβολή της ύλης, επειδή ένας πιο αργός ρυθμός επιτάχυνσης είναι αποδεκτός για τη μετακίνηση πραγμάτων μεταξύ διαφορετικών τροχιών.

Ο τρέχων πρωταθλητής απόδοσης είναι ο ιοντικός προωθητής, ο οποίος έχει πλέον χρησιμοποιηθεί Σε πολλά διαστημόπλοια. Λειτουργεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια (που συνήθως παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες) για να αφαιρέσει ένα ηλεκτρόνιο από ένα ουδέτερο άτομο, με αποτέλεσμα ένα ιόν. Το ηλεκτρισμένο πλέγμα στη συνέχεια χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις για να το αποβάλει από το διαστημόπλοιο με υψηλή ταχύτητα, δημιουργώντας ώθηση. Τα ιόντα τελικά αποβάλλονται με ταχύτητες που μπορεί να είναι μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να παράγει ένα χημικό κίνητρο.

Μια σχετικά μικρή ποσότητα υλικού μπορεί να επιταχυνθεί ταυτόχρονα, επομένως αυτό δεν μπορεί να δημιουργήσει τίποτα κοντά στην ποσότητα ώσης που παράγεται σε σύντομο χρονικό διάστημα από έναν χημικό πύραυλο. Αλλά χρησιμοποιεί πολύ λιγότερο υλικό για να παράγει την ίδια ποσότητα ώσης και μπορεί εύκολα να παράγει ισοδύναμη επιτάχυνση εάν του δοθεί αρκετός χρόνος. Με άλλα λόγια, εάν μπορείτε να είστε υπομονετικοί σχετικά με την επιτάχυνσή σας, ένας κινητήρας ιόντων μπορεί να κάνει το αντίστοιχο σε μια μορφή που χρησιμοποιεί λιγότερη μάζα και λιγότερο χώρο. Αυτά είναι δύο πολύ σημαντικά ζητήματα στα διαστημόπλοια.

Είναι κρίσιμο να γίνει αυτό το έργο για τον ενεργειακό προϋπολογισμό του διαστημικού σκάφους ένα υλικό που μπορεί να ιονίζεται χωρίς να απαιτεί πολλή ενέργεια. Επί του παρόντος, το προτιμώμενο υλικό είναι το ξένο, ένα αέριο που ιονίζεται εύκολα και βρίσκεται αρκετές σειρές κάτω από τον περιοδικό πίνακα, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε ιόν του είναι σχετικά βαρύ. Αλλά το xenon έχει τα αρνητικά του. Είναι σχετικά σπάνιο (μόνο 1 μέρος ανά 10 εκατομμύρια στην ατμόσφαιρά μας) και πρέπει να αποθηκεύεται σε δοχεία υψηλής πίεσης, εξαλείφοντας μέρος της εξοικονόμησης βάρους.

Εισάγετε ιώδιο

Το ιώδιο φαίνεται να είναι ένα ιδανικό υποκατάστατο. Είναι δίπλα στο ξένο στον περιοδικό πίνακα και συνήθως βρίσκεται ως μόριο που αποτελείται από δύο άτομα ιωδίου, επομένως έχει την ικανότητα να παράγει περισσότερη ώθηση για κάθε στοιχείο που αποβάλλεται. Είναι πιο εύκολο να ιονιστεί το ξένο, καθώς χρειάζεται 10 τοις εκατό λιγότερη ενέργεια για να χαθεί ένα ηλεκτρόνιο. Και σε αντίθεση με το xenon, ευτυχώς υπάρχει ως στερεό υπό τις σχετικές συνθήκες, κάνοντας την αποθήκευση πολύ πιο απλή. Μόνο λίγη θέρμανση θα το μετατρέψει στο αέριο που απαιτείται για τη λειτουργία του κινητήρα ιόντων.

Το μεγάλο μειονέκτημα είναι ότι είναι ένα διαβρωτικό υλικό, το οποίο ανάγκασε το ThrustMe να χρησιμοποιήσει κεραμικό για τα περισσότερα υλικά με τα οποία μπορεί να έρθει σε επαφή.

Ο σχεδιασμός του προωστήρα περιλάμβανε μια δεξαμενή καυσίμου γεμάτη με ιώδιο που μπορούσε να θερμανθεί με θερμαντήρες αντίστασης που τροφοδοτούνταν από ηλιακούς συλλέκτες. Το ίδιο το ιώδιο βρισκόταν μέσα σε ένα πορώδες υλικό οξειδίου του αλουμινίου, εμποδίζοντάς το να αποσυντεθεί από τους κραδασμούς που βίωσε κατά την εκτόξευση (το οξείδιο του αλουμινίου είναι κατά 95 τοις εκατό ανοιχτό χώρο, επομένως δεν εκτόξευσε μεγάλη αποθήκευση καυσίμου). Η δεξαμενή συνδέεται με τον θάλαμο ιονισμού μέσω ενός μικρού σωλήνα. Όταν το σύστημα κρυώσει μετά τη χρήση, θα στερεοποιηθεί αρκετό ιώδιο σε αυτόν τον σωλήνα για να απομονωθεί το καύσιμο από τον έξω κόσμο.

Μόλις μπει στον θάλαμο ιονισμού, το αέριο ιώδιο βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια, αδρανοποιώντας τα άλλα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα το σχηματισμό πλάσματος. Το παρακείμενο ηλεκτρικό δίκτυο στη συνέχεια επιτάχυνε τα θετικά ιόντα από αυτό το πλάσμα, δημιουργώντας μια ώθηση. Τα ηλεκτρόνια εξήχθησαν από το πλάσμα και εγχύθηκαν στη δέσμη ιόντων για να διατηρηθούν τα πάντα ηλεκτρικά ουδέτερα.

Οι απαγωγείς θερμότητας προσαρτήθηκαν στα ηλεκτρονικά και στα τοιχώματα του σωλήνα ιωδίου, με τη θερμότητα να ανακυκλώνεται στο καύσιμο ιωδίου καθώς απελευθερώνεται ο προωθητής. Αυτό διατήρησε την ενεργειακή απαίτηση για την εξάτμιση του ιωδίου σε 1 watt μόλις ο προωθητής φτάσει σε σταθερή κατάσταση.

Ολόκληρη η διάταξη ήταν απίστευτα συμπαγής, καταλαμβάνοντας τον ίδιο χώρο με έναν κύβο μήκους 10 εκατοστών σε κάθε πλευρά και ζύγιζε μόλις 1,2 κιλά. Με ορισμένα μέτρα, ξεπέρασε τις επιδόσεις του κινητήρα xenon κατά 50 τοις εκατό.

Επίδειξη βασισμένη στο διάστημα

Ο εξοπλισμός εργασίας μεταφέρθηκε σε κύβους 12 μονάδων βάρους περίπου 20 κιλών που ονομάζονται Beihangkongshi-1. Και τα τελευταία δύο χρόνια περίπου, ο προωθητής έχει χρησιμοποιηθεί αρκετές φορές για την αντιμετώπιση της κίνησης του δορυφόρου για την αποφυγή πιθανών συγκρούσεων. Η δορυφορική παρακολούθηση και η ενσωματωμένη παρακολούθηση προωθητήρα δείχνουν ότι ο προωθητής με βάση το ιώδιο λειτουργεί ακριβώς όπως κατά τη διάρκεια της δοκιμής στο έδαφος.

Είναι σημαντικό να επαναλάβουμε ότι η πραγματική ποσότητα ώσης είναι ελάχιστη – περίπου 0,8 millinewtons κατά τη λειτουργία. Αλλά ο προωθητής μπορούσε εύκολα να το διατηρήσει αυτό για περισσότερο από μία ώρα, παρέχοντας αρκετή ώθηση για να το μετακινήσει σε μια τροχιά που ήταν μερικές εκατοντάδες μέτρα ψηλότερα. Έτσι, ενώ τίποτα δεν μπορεί ποτέ να τεθεί σε τροχιά, οι συσκευές ThrustMe μπορούν σίγουρα να μετακινήσουν τα πράγματα σε τροχιά αρκετά καλά.

Ο μεγάλος περιορισμός και πάλι είναι η ταχύτητα. Κινείται μόνο αργά, χρειάζονται περίπου 10 λεπτά για να θερμανθεί το ιώδιο αρκετά ώστε το προωθητικό να αρχίσει να λειτουργεί. Εάν χρειαστεί ένας ελιγμός έκτακτης ανάγκης, δεν θα τον κόψει. Αλλά, αν υποθέσουμε ότι δεν υπάρχει κανείς δορυφορική έκρηξη Στην περιοχή σας, οι περισσότεροι δορυφορικοί κίνδυνοι μπορούν να εντοπιστούν εκ των προτέρων.

ιδιοσυγκρασία φύση, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04015-y (Σχετικά με τα DOI).