軌道上での新しいヨウ素ベースのプラズマスラスターのテスト

ほとんどの人は、消毒剤としての役割から、おそらくヨウ素に精通しているでしょう。 しかし、高校の化学の最中に遅くまで起きていたなら、ヨウ素粉末が加熱されたショーを見たことがあるかもしれません。 大気圧では融点と沸点が非常に近いため、ヨウ素は加熱すると紫色のガスを発生しやすくなります。 低圧では、昇華と呼ばれるプロセスで、固体から気体に直接移行します。

これは、イオンスラスターと呼ばれる高効率の宇宙船スラスターの形態にとって理想的な燃料になる可能性があることが判明しました。 しばらくの間、有望な候補と見なされてきましたが、ThrustMeという商業会社は、宇宙で初めてヨウ素を動力源とするスラスターを実証したことを発表しました。

イオン強度

ロケットは化学反応に依存して大量の物質をできるだけ早く放出し、何かを宇宙に持ち上げるのに十分な推力を発生させます。 しかし、それは支払いを生成するための最も効率的な方法ではありません-重力を打ち負かすために必要な高速パッケージを取得するために、最終的に取引効率が向上します。 宇宙に入ると、スピードの必要性はなくなります。 異なる軌道間で物を動かすには、より遅い加速速度が許容されるため、より効率的な手段を使用して物質を追い出すことができます。

現在の効率チャンピオンは、現在使用されているイオンスラスターです。 多くの宇宙船について。 これは、電気（通常はソーラーパネルによって生成される）を使用して中性原子から電子を取り除き、イオンを生成することによって機能します。 次に、帯電したグリッドは電磁相互作用を使用して高速で宇宙船から放出し、推力を発生させます。 イオンは最終的に、化学的動機が生成できる速度よりも1桁大きい速度で放出されます。

一度に加速できる材料は比較的少量であるため、化学ロケットが短時間で発生する推力に近いものは発生しません。 しかし、同じ量の推力を生成するために使用する材料ははるかに少なく、十分な時間が与えられれば、同等の加速度を簡単に生成できます。 言い換えれば、あなたがあなたの加速について我慢できれば、イオンエンジンはより少ない質量とより少ないスペースを使用する形で同等のことをすることができます。 これらは、宇宙船における2つの非常に重要な考慮事項です。

宇宙船のエネルギー収支に関するこの作業を、多くのエネルギーを必要とせずに電離できる材料にすることが重要です。 現在、選択されている材料はキセノンです。これは、イオン化が容易で、周期表の数列下にあるガスです。つまり、各イオンは比較的重いということです。 しかし、キセノンには欠点があります。 それは比較的まれであり（私たちの大気中の1000万分の1のみ）、高圧容器に保管する必要があり、軽量化の一部を排除します。

ヨウ素を入力してください

ヨウ素は理想的な代替品のようです。 周期表のキセノンの隣にあり、通常はヨウ素の2つの原子で構成される分子として見られるため、放出される各元素に対してより多くの推力を生成する能力があります。 電子を失うのに必要なエネルギーが10％少ないため、キセノンをイオン化する方が簡単です。 また、キセノンとは異なり、適切な条件下で固体として存在するため、保管がはるかに簡単になります。 ほんの少しの加熱で、イオンエンジンの運転に必要なガスに変わります。

大きな欠点は、それが腐食性の材料であるため、ThrustMeが接触する可能性のあるほとんどの材料にセラミックを使用することを余儀なくされていることです。

スラスターの設計には、ソーラーパネルを動力源とする抵抗ヒーターで加熱できる、ヨウ素を充填した固体燃料タンクが含まれていました。 ヨウ素自体は多孔質の酸化アルミニウム材料の内部にあり、打ち上げ時に発生した振動から崩壊するのを防ぎました（酸化アルミニウムは95％のオープンスペースであるため、燃料の貯蔵をあまり消費しませんでした）。 タンクは小さなチューブを介して電離箱に接続されています。 使用後にシステムが冷却されると、このチューブ内で十分なヨウ素が固化し、燃料を外界から隔離します。

電離箱に入ると、ヨウ素ガスに電子が衝突し、他の電子が不活性化され、プラズマが形成されます。 次に、隣接する電力網がこのプラズマからの陽イオンを加速し、推力を発生させました。 電子はプラズマから抽出され、すべてを電気的に中性に保つためにイオンビームに注入されました。

熱抽出器は電子機器とヨウ素管の壁に取り付けられ、スラスターが解放されると熱がヨウ素燃料に再利用されました。 これにより、スラスターが定常状態に達すると、ヨウ素を気化させるためのエネルギー要件が1ワットに抑えられました。

セットアップ全体が信じられないほどコンパクトで、片側10センチの立方体と同じスペースを占め、重さはわずか1.2キログラムでした。 いくつかの基準で、それはキセノンエンジンを50パーセント上回りました。

宇宙ベースのデモ

作業装置は、Beihangkongshi-1と呼ばれる重量約20キログラムの12モジュールの立方体車両で輸送されました。 また、過去2年ほどの間、衝突の可能性を回避するために衛星の移動に対処するためにスラスターが数回使用されてきました。 衛星追跡と搭載スラスター監視は、ヨウ素ベースのスラスターが地上でのテスト中とまったく同じように機能することを示しています。

推力の実際の量が最小であることを繰り返すことが重要です-操作中に約0.8ミリニュートン。 しかし、スラスターはそれを1時間以上簡単に維持でき、数百メートル高い軌道に移動するのに十分な推力を提供しました。 したがって、軌道に乗せることはできませんが、ThrustMeデバイスは確かに物事を軌道にうまく移動させることができます。

ここでも大きな制限は速度です。 それはゆっくりと動くだけで、ヨウ素が推進剤が働き始めるのに十分に熱くなるのに約10分かかります。 緊急操作が必要な場合、それはそれをカットしません。 しかし、誰もいないと仮定して 衛星爆発 あなたの近くでは、ほとんどの衛星の危険を事前に特定することができます。

気性の性質、2021年。DOI： 10.1038 / s41586-021-04015-y （（DOIについて）。