European Commission logo
polski polski
CORDIS - Wyniki badań wspieranych przez UE
CORDIS

Novel Electride Material for Enhanced electrical propulSIon Solutions

Article Category

Article available in the following languages:

Dodanie C12A7:e- do katod i neutralizatorów usprawnia napędy elektryczne

Przystępny cenowo, łatwo dostępny i otrzymywany na miejscu materiał ceramiczny może zapewnić niezależność europejskiej produkcji zaawansowanych elektrycznych układów napędowych na potrzeby satelitów wynoszonych na niską orbitę okołoziemską.

Przemysł kosmiczny icon Przemysł kosmiczny

W ostatnich latach byliśmy świadkami wzrostu popularności napędów elektrycznych w satelitach realizujących misje na niskiej orbicie okołoziemskiej, które wypierają swoje chemiczne odpowiedniki. Jednym ze zjawisk, którym muszą przeciwdziałać takie satelity jest zacieśnianie się orbity - stopniowe zmniejszanie się ich odległości od Ziemi. Z tego powodu potrzebują wydajnych systemów napędowych o niskim ciągu, dzięki którym będą w stanie utrzymać zadaną wysokość. Mniejsze satelity wymagają również mniejszych i lżejszych komponentów. Napędy elektryczne spełniają oba te wymagania. Jednym z kluczowych problemów pozostaje jednak konieczność wykorzystywania rzadkich i kosztownych surowców na potrzeby wytwarzania katod oraz materiałów pędnych w nowoczesnych układach elektrycznych. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu NEMESIS podjął próbę rozwiązania obu tych problemów dzięki wykorzystaniu przełomowego materiału, który może być wytwarzany w przystępny cenowo sposób na terenie Europy z niedrogich, lokalnie dostępnych i powszechnie występujących prekursorów.

C12A7:e- - alternatywny emiter elektronów

Surowce wykorzystywane do wytwarzania katod mają dwa zadania. Pierwszym z nich jest emitowanie elektronów bombardujących gazy napędowe w celu wytworzenia jonów dodatnich, które są przyspieszane i wyrzucane w celu popchnięcia obiektu do przodu. Drugim jest emitowanie dodatkowych elektronów, których celem jest neutralizacja dodatniego ładunku nagromadzonego na samym obiekcie. „Większość katod i neutralizatorów wykorzystywanych w napędach elektrycznych wytwarzana jest z sześcioborku lantanu (LaB6), który jest wykorzystywany jako emiter elektronów, z kolei ksenon jest powszechnie używany w roli gazu pędnego. Zarówno lantan, jak i ksenon są rzadkimi i kosztownymi surowcami, a trwająca wojna w Ukrainie dodatkowo komplikuje sytuację”, wyjaśnia Ángel Post, przedstawiciel spółki Advanced Thermal Devices i koordynator projektu NEMESIS. Zespół projektu NEMESIS skoncentrował swoje wysiłki na nowym materiale ceramicznym nazwanym C12A7:e-, charakteryzującego się nie tylko przystępną ceną oraz popularnością, ale także niższą temperaturą progową, której przekroczenie skutkuje emisją elektronów. Dzięki temu wykorzystanie go oznacza niższe zapotrzebowanie na energię i mniejsze naprężenia termiczne przenoszone na pozostałe komponenty i podzespoły satelitów. Naukowcy oczekiwali także, że nowy surowiec ceramiczny będzie także bardziej obojętny chemicznie niż LaB6, co umożliwi wykorzystanie innych gazów pędnych.

Impulsowa polaryzacja rozwiązaniem niestabilnego wytwarzania elektronów

Badacze skupieni w ramach konsorcjum projektu potwierdzili na drodze badań wszystkie założenia, ustalając jednocześnie, że wiele parametrów przekracza szacunkowe wartości. Dzięki temu udało się obniżyć temperaturę pracy z 800-1300 °C wymagane przez alternatywne emitery elektronów do zaledwie 200-250 °C. Takie rozwiązanie wyeliminowało potrzebę stosowania zewnętrznego źródła ciepła, drogich materiałów odpornych na wysokie temperatury w podzespołach oraz osłon zabezpieczających komponenty przed promieniowaniem cieplnym. W toku badań naukowcy udowodnili możliwość wykorzystania nowego surowca z wieloma alternatywnymi gazami napędowymi, w tym argonem, kryptonem, a nawet amoniakiem, które mogą zastąpić konwencjonalny ksenon. W ramach przeprowadzonych przez zespół projektu NEMESIS badaniach nowe katody pracowały przez tysiące godzin w wielu laboratoriach, co pozwoliło na potwierdzenie spójnych i powtarzalnych rezultatów. Jak zauważają badacze: „Rozwiązaliśmy najbardziej istotny problem dotyczący wykorzystania C12A7:e-, czyli iskrzenie oraz niestabilność spowodowane gromadzeniem się ładunków w cienkiej warstwie dielektrycznej na jego powierzchni, które powodują nieprawidłowe działanie, a nawet topnienie. Opracowaliśmy w związku z tym rozwiązanie, jakim są opatentowane techniki sprzęgania ładunków poprzez impulsową polaryzację materiału”, zauważa Post. Co więcej, polaryzacja impulsowa pozwala na osiągnięcie dwukrotnie większego prądu i umożliwiła konsorcjum uzyskać emisję elektronów w temperaturach niższych niż podawane przez innych badaczy. Zespół opracował i pomyślnie przetestował szereg prototypów wykorzystujących ksenon, argon, krypton, jod i amoniak. Zostały one z powodzeniem połączone z komercyjnymi silnikami Halla, co pozwoliło na zapewnienie wysokiej sprawności oraz doskonałych osiągów.

Niezależna europejska produkcja przystępnych cenowo napędów satelitów

W ramach realizacji projektu NEMESIS odbyły się także 24 prezentacje na dziewięciu międzynarodowych konferencjach i warsztatach dla przedstawicieli sektora kosmicznego w Europie, a jego badacze opublikowali osiem recenzowanych publikacji, które popularyzują rozwiązanie i wspierają jego wdrożenie. Pomimo zakończenia prac rozwiązania są dopracowywane w ramach trzech nowych projektów oraz dwóch umów zakładających współpracę z podmiotami przemysłowymi. Dzięki tym działaniom Europa znalazła się na dobrej drodze do zapewnienia swojemu dynamicznie rozwijającemu się rynkowi małych satelitów przystępnego cenowo, energooszczędnego i sprawnego napędu elektrycznego, zwiększającego konkurencyjność europejskich rozwiązań na rozwijającym się rynku globalnym.

Słowa kluczowe

NEMESIS, napęd, napęd elektryczny, satelita, materiał pędny, katoda, emiter elektronów, polaryzacja impulsowa, ceramika, niska orbita okołoziemska

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania