Testare in orbita un nuovo propulsore al plasma a base di iodio

La maggior parte delle persone ha probabilmente familiarità con lo iodio per il suo ruolo di disinfettante. Ma se sei rimasto sveglio fino a tardi durante la chimica del liceo, potresti aver visto uno spettacolo in cui la polvere di iodio veniva riscaldata. Poiché i punti di fusione e di ebollizione sono molto vicini tra loro a pressione atmosferica, lo iodio formerà facilmente un gas viola quando riscaldato. A bassa pressione, passa direttamente da un solido a un gas, un processo chiamato sublimazione.

Questo, a quanto pare, potrebbe renderlo il carburante ideale per una forma di propulsori spaziali altamente efficienti chiamati propulsori ionici. Sebbene sia stato considerato un candidato promettente per un po’, una società commerciale chiamata ThrustMe sta ora annunciando di aver dimostrato per la prima volta un propulsore alimentato allo iodio nello spazio.

forza ionica

I razzi si basano su reazioni chimiche per espellere una grande massa di materiale il più rapidamente possibile, consentendo loro di generare una spinta sufficiente per sollevare qualcosa nello spazio. Ma questo non è il modo più efficiente per generare pagamenti: finiamo per scambiare efficienza per ottenere il pacchetto veloce necessario per battere la gravità. Una volta nello spazio, il bisogno di velocità scompare; Possiamo usare mezzi più efficienti per espellere la materia, perché una velocità di accelerazione più lenta è accettabile per spostare oggetti tra orbite diverse.

L’attuale campione di efficienza è il propulsore ionico, che ora è stato utilizzato Su un certo numero di veicoli spaziali. Funziona utilizzando l’elettricità (generata solitamente da pannelli solari) per strappare un elettrone da un atomo neutro, risultando in uno ione. La griglia elettrificata utilizza quindi le interazioni elettromagnetiche per espellerla dal veicolo spaziale ad alta velocità, creando una spinta. Gli ioni vengono infine espulsi a velocità che possono essere di un ordine di grandezza maggiori di quelle che può produrre un motivo chimico.

Una quantità relativamente piccola di materiale può essere accelerata contemporaneamente, quindi questo non può generare nulla di simile alla quantità di spinta prodotta in un breve periodo di tempo da un razzo chimico. Ma utilizza molto meno materiale per produrre la stessa quantità di spinta e può facilmente produrre un’accelerazione equivalente se gli viene dato abbastanza tempo. In altre parole, se puoi essere paziente riguardo alla tua accelerazione, un motore a ioni può fare l’equivalente in una forma che utilizza meno massa e meno spazio. Queste sono due considerazioni molto importanti nei veicoli spaziali.

È fondamentale fare in modo che questo lavoro sul bilancio energetico della navicella spaziale un materiale che possa ionizzare senza richiedere molta energia. Attualmente, il materiale di scelta è lo xeno, un gas facile da ionizzare e che si trova diverse righe lungo la tavola periodica, il che significa che ciascuno dei suoi ioni è relativamente pesante. Ma lo xeno ha i suoi lati negativi. È relativamente raro (solo 1 parte per 10 milioni nella nostra atmosfera) e deve essere conservato in contenitori ad alta pressione, eliminando parte del risparmio di peso.

Inserisci iodio

Lo iodio sembra essere un sostituto ideale. È vicino allo xeno nella tavola periodica e di solito si trova come una molecola composta da due atomi di iodio, quindi ha la capacità di produrre più spinta per ogni elemento che viene espulso. È più facile ionizzare lo xeno, poiché ci vuole il 10 percento in meno di energia per perdere un elettrone. E a differenza dello xeno, esiste felicemente come solido nelle condizioni pertinenti, rendendo lo stoccaggio molto più semplice. Solo un po’ di riscaldamento lo trasformerà nel gas necessario per far funzionare il motore a ioni.

Il grande svantaggio è che si tratta di un materiale corrosivo, che ha costretto ThrustMe a utilizzare la ceramica per la maggior parte dei materiali con cui potrebbe entrare in contatto.

Il design del propulsore includeva un solido serbatoio del carburante pieno di iodio che poteva essere riscaldato con riscaldatori resistivi alimentati da pannelli solari. Lo iodio stesso si trovava all’interno di un materiale poroso di ossido di alluminio che gli impediva di disintegrarsi a causa delle vibrazioni sperimentate durante il lancio (l’ossido di alluminio è al 95% di spazio aperto, quindi non ha vomitato molto carburante). Il serbatoio è collegato alla camera di ionizzazione tramite un tubicino; Quando il sistema si è raffreddato dopo l’uso, in questo tubo si solidifica una quantità sufficiente di iodio per isolare il carburante dal mondo esterno.

Una volta nella camera di ionizzazione, il gas iodio viene bombardato con elettroni, inattivando gli altri elettroni, con conseguente formazione di un plasma. La rete elettrica adiacente ha poi accelerato gli ioni positivi di questo plasma, creando una spinta. Gli elettroni sono stati estratti dal plasma e iniettati nel fascio di ioni per mantenere tutto elettricamente neutro.

Estrattori di calore sono stati attaccati all’elettronica e alle pareti del tubo di iodio, con il calore riciclato nel combustibile di iodio quando il propulsore è stato rilasciato. Ciò ha mantenuto il fabbisogno energetico per vaporizzare lo iodio fino a 1 watt una volta che il propulsore ha raggiunto uno stato stazionario.

L’intera configurazione era incredibilmente compatta, occupando la stessa quantità di spazio di un cubo lungo 10 centimetri su ciascun lato e pesando solo 1,2 chilogrammi. Secondo alcune misure, ha superato del 50% le prestazioni di un motore allo xeno.

Demo spaziale

L’attrezzatura di lavoro è stata trasportata su un veicolo cubico di 12 moduli del peso di circa 20 chilogrammi chiamato Beihangkongshi-1. E negli ultimi due anni circa, il propulsore è stato utilizzato più volte per gestire lo spostamento del satellite per evitare potenziali collisioni. Il monitoraggio satellitare e il monitoraggio del propulsore di bordo mostrano che il propulsore a base di iodio funziona esattamente come durante i test a terra.

È importante ripetere che la quantità effettiva di spinta è minima – circa 0,8 millinewton durante il funzionamento. Ma il propulsore potrebbe facilmente mantenerlo per più di un’ora, fornendo una spinta sufficiente per spostarlo in un’orbita più alta di qualche centinaio di metri. Quindi, sebbene nulla possa mai essere messo in orbita, i dispositivi ThrustMe possono certamente spostare le cose in orbita abbastanza bene.

Il grande limite è ancora una volta la velocità. Si muove solo lentamente, impiegando circa 10 minuti affinché lo iodio si riscaldi abbastanza da consentire al propellente di iniziare a funzionare. Se è necessaria una manovra di emergenza, non la taglierà. Ma, ammesso che non ci sia nessuno esplosione satellitare Nelle tue vicinanze, la maggior parte dei pericoli dei satelliti può essere identificata in anticipo.

temperamento natura, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04015-y (Informazioni sui DOI).