Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 12 (vyšlo 5. dubna, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Iontový motor velikosti desetníku

Ondřej Penc

Lidstvo vysílá do vesmíru čím dál více materiálu v podobě komunikačních satelitů, sond, experimentálních zařízení a dokonce obytných stanic. Většina těchto vesmírných plavidel má na palubě vlastní pohonnou jednotku, která jim umožňuje manévrovat. Větší plavidla používají konvenční pohonný systém, ale malé družice, jako například nanosatelity a pikosatelity, nemohou kvůli své velikosti tento druh pohonu použít. Naštěstí vědci z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. vyvinuli novou miniaturní pohonnou jednotku, iontovou mikrotrysku, o velikosti desetníku.

Porovnání iontového mikromotoru s mincí

Porovnání iontového mikromotoru s mincí. Zdroj MIT.

Specifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou.

MEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd.

Pikosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Delta II. Nejznámější projekt týkající se pikosatelitů je CubeSat, kde mají pikosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm.

Iontové kapaliny – rozpuštěné soli, tekuté za pokojových teplot, obvykle s minimální tendencí k odpařování. Bývají dobře vodivé a povrchové napětí mají nižší než voda.

Elektrosprej – metoda vytváření malých kapiček pomocí elektrického pole. Kapičky produkované elektrosprejem mají vysoký náboj, který zabraňuje jejich vzájemnému shlukování a zároveň podporuje vlastní disperzi jednotlivých kapiček. Rozměry produkovaných kapiček jsou extrémně malé, ve zvláštních případech až nanometrické. Náboj a velikost kapičky lze do jisté míry ovlivnit hodnotou napětí a průtoků pracovních plynů. Tuto techniku zdokonalil John Fenn, který ji využil pro analýzu menších molekul, za což získal v roce 2002 Nobelovu cenu za chemii.

Iontový mikromotor

Za otce iontových motorů je považován Konstantin Ciolkovskij, ruský fyzik, který  v roce 1911 jako první publikoval myšlenku iontového pohonu. První experimenty s iontovými motory provedl o pět let později Robert Hutchings Goddard.

Tento miniaturní iontový motor funguje tak, že elektrostaticky urychluje nabité částice, které vypouští ven do kosmu. Na základě zákona akce a reakce kosmické plavidlo zvyšuje svou rychlost opačným směrem. Než se ionty dostanou z trysky do volného prostoru, musí vykonat cestu z nádrže s palivem přes porézní stěnu přímo na mikroskopické hroty, taktéž z porézního materiálu. Ionty jsou z hrotů elektrostaticky emitovány pomocí extrakční mřížky, urychlovány rozdílem potenciálů 1÷2 kV směrem k urychlovací mřížce a skrz ni vypouštěny dále do vesmíru. Z pórů mikroskopických hrotů nasáklých iontovou kapalinou jsou elektrostatickou silou z kapaliny zformovány takzvané Taylorovy kužele, z jejichž vrcholů jsou emitovány mikroskopické kapičky. Tento princip je používán u elektrosprejůElektrosprej – metoda vytváření malých kapiček pomocí elektrického pole. Kapičky produkované elektrosprejem mají vysoký náboj, který zabraňuje jejich vzájemnému shlukování a zároveň podporuje vlastní disperzi jednotlivých kapiček. Rozměry produkovaných kapiček jsou extrémně malé, ve zvláštních případech až nanometrické. Náboj a velikost kapičky lze do jisté míry ovlivnit hodnotou napětí a průtoků pracovních plynů. Tuto techniku zdokonalil John Fenn, který ji využil pro analýzu menších molekul, za což získal v roce 2002 Nobelovu cenu za chemii. a při výrobě nanovláken. Mimochodem, k výzkumu elektrosprejů také významně přispěl česko-americký fyzik John Zeleny (1872–1951). Rychlost iontů vystřelených z motoru se pohybuje kolem desítek až stovek km/s. Po průletu iontových kapiček urychlovací mřížkou problém nekončí, je ještě nutné iontový svazek neutralizovat. Neutralizaci vědci z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. provádí tak, že přepínají polaritu napětí, kterým urychlují částice. Tím je způsobeno střídavé vypouštění záporně a kladně nabitých částic a při vhodně zvolené frekvenci (jednotky Hz) je výsledný iontový svazek neutrální. Neutralita iontového svazku potlačuje elektro-chemické reakce, korozi trysky a prodlužuje celkovou dobu životnosti pohonného systému.

Pro porovnání: funkce elektrostatického iontového motoru začíná v ionizační komoře, do které je jako palivo vstřikován inertní plyn, nejčastěji xenonXenon – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny. Je bezbarvý, bez chuti a zápachu, nereaktivní. Chemické sloučeniny tvoří pouze vzácně s fluorem, chlorem a kyslíkem. Xenon objevil William Ramsay v roce 1898. Využívá se v xenonových výbojkách.. Ionizační komora má tvar válce, který představuje anodu, uprostřed je umístěn elektronový emitor a axiální dutá katoda. Katoda poskytuje zdroj velmi rychlých elektronů pro ostřelování atomů xenonu, ze kterých vznikají ionty a elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. podle reakce

Xe + e → Xe+ + 2e.

Elektrony mohou být urychlovány více způsoby, buďto rozdílem potenciálů na anodě a katodě, statickým magnetickým polem v kombinaci s proměnným elektrickým polem na elektronové cyklotronníCyklotronní frekvence – frekvence šroubovicového (Larmorova, gyračního) pohybu elektronů kolem magnetických siločar. Důležitá je tzv. cyklotronní rezonance, při které je vlna absorbována na této frekvenci. Z cyklotronní rezonance lze určit magnetické pole plazmatu. Cyklotronní frekvence je rovna QB/m. rezonanční frekvenci, nebo mikrovlnným ohřevem. Vygenerované ionty jsou difúzí hnány k akceleračním mřížkám (tvoří takzvanou iontovou optiku), na nichž jsou urychleny ven do volného vesmíru. Neutralizaci iontového svazku zajišťuje další elektronové dělo vysílající elektrony do kladně nabitého iontového svazku za vesmírným plavidlem. U mikromotoru odpadá pracné generování iontů, není zapotřebí neutralizátor iontového svazku ani pumpy zajišťující přísun xenonu [4, 5].

Konstrukce iontového mikromotoru

Konstrukce iontového mikromotoru. Zdroj: MIT.

Palivo

Jako palivo iontového mikromotoru je použita iontová kapalina EMI-BF4 (1-ethyl-3 methyl imidazolium tetrafluoroborate). Ačkoliv pro vnějšího pozorovatele se zdá být bez náboje, skládá se z kladně a záporně nabitých iontů bez rozpouštědla. Ionty jsou připraveny pro snadnou extrakci pro pohon. Tímto způsobem se šetří energie, která by se standardně spotřebovala na ionizaci plynu nebo paliva na orbitě. Palivo je vytvořeno na povrchu Země, kde je energie podstatně levnější komoditou. Povrchové napětí kapaliny je dostatečné na to, aby fungoval kapilární jev, takže iontový motor nepotřebuje aktivní doplňování paliva. Tím odpadá potřeba použití množství mechanických součástek, které jsou nutné ve velkých iontových motorech, a s nimi i riziko jejich poruch. Nový miniaturní iontový pohon je vlastně něco jako SSD (Solid State Disc, hardisk bez pohyblivých částí) mezi iontovými motory. Kapalina má navíc malou tendenci k vypařování, takže může být vystavena vesmírnému vakuu, aniž by se odpařovala [6].

Hroty iontových emitorů pod mikroskopem

Hroty iontových emitorů pod mikroskopem. Zdroj MIT.

Konstrukce a vlastnosti

Hlavní část motoru, porézní niklová destička spojená s rezervoárem pro iontovou kapalinu, má plochu 1×1 cm2. Do 1 mm tlusté destičky je vyleptáno 480 mikroskopických hrotů, emitorů iontů. Destička je umístěna v křemíkovém pouzdře a uzavřena urychlovacími mřížkami. Celý mikro-elektro-mechanický systém (MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd.) bez palivového rezervoáru má rozměry pouze 12×12×2 mm3. Velikost nádrže na palivo je volitelná v závislosti na požadavcích vesmírné mise. Jednotlivé iontové mikromotory se dají skládat do větších ploch a pohonný tlak, který jsou schopny vytvořit, činí 0,25÷0,5 N/m2. Tah motoru je malý, nicméně motor disponuje velkou účinností, což se projevuje ve velikosti specifického impulzu, který činí 2 500 N·s/kg. Oproti chemickým raketám musí iontové motory běžet dlouho, aby významněji přispěly ke zrychlení vesmírného plavidla, zato jsou ale desetkrát efektivnější. Rychlost iontů v ústí trysky se dá vypočítat z Coulombova zákona, v ideálním případě podle rovnice

vi = (2 UQi/mi)1/2.

Tato rychlost rozhoduje o tom, jaká hybnost se předá vesmírné lodi a závisí hlavně na rozdílu potenciálů U na urychlovacích mřížkách. Toto napětí lze teoreticky zvyšovat na vysoké hodnoty. Naproti tomu maximální teplotu, kterou snese materiál trysky, hlavní omezující faktor chemických motorů, lze zvyšovat jen velmi omezeně. Testovací prototyp iontového motoru PETA (Precision Electrospray Thruster Assembly) zabere přibližně třetinu objemu jednoho modulu platformy CubeSat, včetně 16 mikrotrysek v osmi párech a veškeré elektroniky. Tento pohon je schopen změnit rychlost o 200 m/s u satelitu o velikosti třech jednotek CubeSat (o hmotnosti přibližně 3 kg), což je shodou okolností velikost sluneční plachetnice NanoSail-D [7, 8].

Uspořádání experimentu pro testování prototypu iontového mikromotoru

Uspořádání experimentu pro testování prototypu iontového mikromotoru. Jeden modul CubeSat je zavěšený v magnetickém levitátoru a je umístěn do vakuové komory, kde se testuje funkce motorů. Zdroj MIT.

Úspěchy iontových motorů

Iontové motory mají za sebou velké množství úspěchů. Projekt NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. vyústil k výrobě 30centimetrového iontového pohonu NSTAR, hlavní pohonné jednotky pro vesmírnou sondu Deep Space 1. Japonská sonda Hyabusa používala iontový motor využívající elektronovou cyklotronní rezonanci k ionizaci paliva. Evropský satelit SMART-1 nesl na palubě Hallův iontový motor. Sonda Dawn používá iontové motory na bázi NSTAR. V prosinci loňského roku NASA ohlásila překonání rekordu na poli iontových motorů – iontový motor NEXT byl nepřetržitě provozován 43 000 hodin, spálil při tom 770 kg xenonového paliva, které vytvořilo 3×107 Ns celkového impulzu pro vesmírnou loď. Tento úspěch potvrzuje možnost použití iontového motoru jako hlavní pohonné jednotky pro dlouhodobé mise. Prezentovaný miniaturní iontový pohon nepochybně tyto úspěchy rozšíří [9].

Iontový motor NEXT v provozu

Iontový motor NEXT v provozu. Zdroj: NASA.

Závěr

Iontová mikrotryska je pohon vhodný pro malé vesmírné satelity, u kterých se nevyplatí instalovat raketové motory z ekonomických důvodů, nebo také proto, že raketový motor nelze vyrobit v dostatečně malé verzi. Nabízí se využití tohoto pohonu pro situace, ve kterých uspořádání experimentu nebo měření vlastností vesmírných jevů vyžaduje rozmístění jednotlivých sond do shluku nebo matice. V tomto případě je potřeba použít mnoho malých modulů, které budou prolétat zkoumaným jevem, například polární září, a které budou moci korigovat svou polohu vůči ostatním modulům. Jelikož těchto modulů bude mnoho a budou malé, vyplatí se na ně použít kompaktní a oproti konvenčním pohonům levné iontové mikrotrysky. Také si lze snadno představit tento miniaturní iontový motor jako přídavnou pohonnou jednotku pro sluneční plachetnice, jako jsou IKAROS a NanoSail-D. Pikosatelity dosud neměly žádný pohon a po ukončení mise zůstaly na orbitě a stal se z nich vesmírný odpad. Nyní budou mít možnost sletět do atmosféry a tam shořet, podobně jako to bylo uděláno s kosmickou stanicí MIR. Zajímavá je i myšlenka o možnostech využití tohoto pohonu pro sondy, které budou čistit zemské okolí od zbytků satelitů. Sonda obsahující pouze nezbytnou elektroniku a iontovou mikrotrysku se přichytí na malý vesmírný odpad, pomalu ho odtlačí do atmosféry a spolu s ním v ní shoří. Iontový mikropohon si nepochybně najde své místo na poli vesmírných misí, může dokonce odstartovat éru swarm satelitů (satelitů vykazujících kolektivní chování).

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage