Исследователи из Технологического исследовательского института Джорджии (GTRI) создали массивы с использованием уникальной технологии, которая позволяет выращивать пучки вертикально ориентированных нанотрубок, встроенных в кремниевые чипы. В будущих версиях ионных двигателей с электрическим приводом электроны, испускаемые наконечниками углеродных нанотрубок, могут быть использованы для ионизации газообразного топлива, такого как ксенон. Затем ионизированный газ будет выбрасываться через сопло, чтобы обеспечить тягу для перемещения спутника в космос.«Миссия будет характеризовать, насколько хорошо эти автоэмиссионные источники электронов работают в космической среде по сравнению с тем, насколько хорошо они работают на земле в вакуумной камере», — сказал Джуд Риди, главный исследователь GTRI. «Колебания при запуске и воздействие космической среды, включающей атомарный кислород и микрометеориты, могут иметь некоторые необычные эффекты на массивы.
Эта миссия поможет нам оценить, можно ли использовать эти эмиттеры электронов из углеродных нанотрубок в ионных двигателях».Существующие ионные двигатели используют термоэлектронные катоды, в которых для производства электронов используются высокие температуры, генерируемые электрическим током. Эти устройства требуют значительного количества электроэнергии для выработки тепла и должны потреблять часть топлива для своей работы.
Если массивы углеродных нанотрубок можно использовать в качестве эмиттеров электронов, они будут работать при более низких температурах с меньшей мощностью — и без использования ограниченного бортового топлива. Это может позволить увеличить время полетов спутников или уменьшить вес микродвигательных систем.Массив углеродных нанотрубок является частью ALICE, микроспутника CubeSat, разработанного и построенного Технологическим институтом ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо.
В ходе миссии, запланированной на 5 декабря с базы ВВС Ванденберг в Калифорнии, ALICE отправится в космос на ракете Atlas V, которая будет использоваться для запуска отдельной, гораздо большей полезной нагрузки. ALICE размером всего 10 на 10 на 30 сантиметров будет частью массива из восьми CubeSats, названных так потому, что они помещаются в небольшие модульные пусковые установки, прикрепленные к основному спутнику.
По словам Джонатана Блэка, директора Центра космических исследований и гарантий AFIT, эта работа может привести к усовершенствованию микродвигательных систем, полезных для небольших космических кораблей.«Такие технологии, как устройства, тестируемые на ALICE, необходимы для нашей будущей способности маневрировать микроспутниками или изменять их орбиты», — пояснил он. «Возможность включать двигательную установку в микроспутники, такие как CubeSats, увеличивает продолжительность полета и типы миссий, которые они могут выполнять.
Успешные демонстрации передовых технологий, подобных тем, которые используются на ALICE, в конечном итоге приведут к созданию более компактных, легких и энергоэффективных двигателей, что приведет к уменьшению затраты на запуск при увеличении производительности всех спутников, использующих электрическую тягу ".Используя многопрофильную команду, инженеры AFIT из отдела электротехники разработали полезную нагрузку, позволяющую напрямую подвергать массивы углеродных нанотрубок воздействию космической среды, одновременно защищая идентичный массив управления внутри спутника. Массивы, которые составляют примерно один квадратный сантиметр, будут включаться и выключаться, а их поведение изучаться. В эксперименте с полезной нагрузкой используется сенсорное устройство, известное как Интегрированный миниатюрный электромагнитный анализатор (iMESA), разработанное инженерами Академии ВВС США (USAFA).
Данные, собранные со спутника, будут загружены и обработаны в AFIT студентами и техническими специалистами факультета аэронавтики и астронавтики.Матрицы углеродных нанотрубок являются отличными проводниками, а их геометрия делает их идеальными эмиттерами электронов.«Мы используем углеродные нанотрубки, потому что они имеют высокое соотношение сторон и обеспечивают наноразмерную точку, которая испускает электроны», — сказал Грэм Сэнборн, который работал над проектом в рамках своей докторской диссертации. защитил диссертацию в Школе материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. «Электрическое поле фокусируется на наконечнике, поэтому мы можем получить электронную эмиссию при более низких напряжениях, чем может потребоваться для других материалов».
GTRI использует серию этапов осаждения и травления для изготовления массивов в чистых помещениях Технологического института Джорджии. Каждый квадратный массив размером в один сантиметр содержит до 50 000 пучков нанотрубок, и каждый пучок выращен из пятимикронной ямки, вытравленной в кремнии.«Конструкция имеет особую геометрию, чтобы предотвратить короткое замыкание между электродами, которые расположены очень близко друг к другу», — пояснил Санборн.
Космические корабли запускаются с использованием химических ракет, которые обеспечивают большую тягу. Однако, оказавшись на орбите, аппараты могут использовать двигатели с электрическим приводом для изменения орбиты или других маневров.
«Ионные двигатели обеспечивают очень низкую тягу», — сказал Санборн. «Они просто выталкивают молекулы газа, но работают очень эффективно. Ионные двигатели могут работать тысячи часов одновременно. В совокупности вы можете добиться значительного изменения скорости».Аббревиатура ALICE состоит из нескольких других сокращений.
Буква «A» обозначает AFIT, а буква «L» обозначает LEO — низкую околоземную орбиту, на которой будет работать спутник. «I» представляет систему iMESA; «C» обозначает углеродные нанотрубки, а «E» обозначает «эксперимент».Спутник, первый для AFIT, был разработан, испытан и интегрирован многопрофильной командой профессоров, студентов и технических специалистов. Партнерство с GTRI и USAFA предоставило студентам в каждом учебном заведении возможность участвовать в новаторских исследованиях, которые могут повлиять на многочисленные будущие спутники, использующие электрические двигатели.
Другие потенциальные области применения электронных эмиттеров на основе CNT Технологического института Джорджии включают дисплеи, электродинамические тросы, вакуумную электронику и лампы бегущей волны.