(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont remporté une subvention de 6,5 millions de dollars pour développer des composants améliorés qui augmenteront l'efficacité des systèmes de propulsion électrique utilisés pour contrôler les positions des satellites et des sondes planétaires.

En se concentrant sur des cathodes améliorées pour des dispositifs connus sous le nom de propulseurs à effet Hall, la recherche réduirait la consommation de propergol dans le commerce, satellites gouvernementaux et militaires, leur permettant de rester en orbite plus longtemps, être lancé sur des fusées plus petites ou moins chères, ou transporter des charges utiles plus importantes. Parrainé par le Bureau des sciences de la défense de la Defense Advanced Research Projects Agency des États-Unis (DARPA-DSO), le projet de 18 mois vise à démontrer l'utilisation de cathodes sans propulseur avec des propulseurs à effet Hall.

"Environ 10 pour cent du propulseur transporté dans l'espace sur les satellites qui utilisent un système de propulsion électrique est essentiellement gaspillé dans la cathode creuse qui fait partie du système, " a déclaré Mitchell Walker, professeur adjoint à la School of Aerospace Engineering de Georgia Tech et chercheur principal du projet. "En utilisant l'émission de champ plutôt qu'une cathode creuse, nous sommes capables d'extraire des électrons des réseaux cathodiques fabriqués à partir de nanotubes de carbone sans gaspiller de propulseur. Cela prolongera la durée de vie du véhicule en utilisant plus efficacement le propulseur embarqué limité pour son objectif de propulsion."

Pour maintenir leurs positions dans l'espace ou pour se réorienter, les satellites doivent utiliser de petits propulseurs à propulsion chimique ou électrique. Les propulseurs électriques utilisent des électrons pour ioniser un gaz inerte tel que le xénon. Les ions résultants sont ensuite éjectés du dispositif pour générer une poussée.

Dans les propulseurs à effet Hall existants, une seule cathode à haute température génère les électrons. Une partie du propulseur—généralement environ 10 pour cent de l'approvisionnement limité transporté par le satellite—est utilisé comme fluide de travail dans la cathode creuse traditionnelle. La recherche financée par la DARPA remplacerait la cathode creuse par un réseau de cathodes à effet de champ fabriquées à partir de faisceaux de nanotubes de carbone à parois multiples. Alimenté par des batteries embarquées et des systèmes photovoltaïques sur le satellite, les réseaux fonctionneraient à faible puissance pour produire des électrons sans consommer de propergol.

Walker et ses collaborateurs du Georgia Tech Research Institute (GTRI) ont déjà fait la démonstration de cathodes à effet de champ à base de nanotubes de carbone. Ce travail a été présenté à l'AIAA Joint Propulsion Conference 2009 tenue à Denver, Colo. Le financement supplémentaire soutiendra les améliorations des appareils, dites cathodes froides en nanotubes de carbone, et conduire à des essais spatiaux dès 2015.

"Ce travail dépend de notre capacité à faire croître des nanotubes de carbone alignés précisément là où nous voulons qu'ils soient et à des dimensions exactes, "ť dit Jud Ready, un ingénieur de recherche senior du GTRI et collaborateur de Walker sur le projet. "Ce projet tire parti de notre capacité à développer des réseaux de nanotubes bien alignés et à les enrober pour améliorer leurs performances d'émission de champ."

En plus de réduire la consommation de propergol, l'utilisation de matrices de cathodes de nanotubes de carbone pourrait améliorer la fiabilité en remplaçant la cathode unique actuellement utilisée dans les propulseurs.

"Les cathodes existantes sont sensibles à la contamination, endommagé par l'échappement ionisé du propulseur, et ont une durée de vie limitée en raison de leur fonctionnement à haute température, " Ready a noté. " Les réseaux de cathodes de nanotubes de carbone fourniraient une cathode répartie autour du propulseur à effet Hall de sorte que si l'un d'eux est endommagé, nous aurons un licenciement."

Avant que les cathodes en nanotubes de carbone développées par Georgia Tech puissent être utilisées sur les satellites, cependant, leur durée de vie devra être augmentée pour correspondre à celle d'un propulseur de satellite, qui est généralement de 2, 000 heures ou plus. Les appareils devront également résister aux contraintes mécaniques des lancements spatiaux, allumer et éteindre rapidement, fonctionner de manière cohérente et survivre à l'environnement spatial agressif.

Une partie de l'effort se concentrera sur les matériaux de revêtement spéciaux utilisés pour protéger les nanotubes de carbone de l'environnement spatial. Pour cette partie du projet, Walker et Ready collaborent avec Lisa Pfefferle au Département de génie chimique de l'Université de Yale.

Les chercheurs testent leurs cathodes avec le même propulseur à effet Hall Busek qui a volé sur le satellite TacSat-2 de l'US Air Force. En outre, les cathodes fonctionneront avec des propulseurs à effet Hall développés par Pratt &Whitney et donnés à Georgia Tech. Les chercheurs collaborent également avec L-3 ETI sur le système d'alimentation électrique et avec American Pacific In-Space Propulsion sur la qualification en vol du matériel.

La possibilité de contrôler des cathodes individuelles sur le réseau pourrait fournir une nouvelle capacité de vecteur de poussée, remplacer potentiellement les cardans mécaniques maintenant utilisés.

L'utilisation de nanotubes de carbone pour générer des électrons par le processus d'effet de champ a été signalée en 1995 par une équipe de recherche dirigée par Walt de Heer, professeur à la Georgia Tech School of Physics. Field emission is the extraction of electrons from a conductive material through quantum tunneling that occurs when an external electric field is applied.

The improved carbon nanotube cathodes should advance the goals of reducing the cost of launching and maintaining satellites.

"Thrust with less propellant has been one of the major goals driving research into satellite propulsion, "ť said Walker, who is director of Georgia Tech's High-Power Electric Propulsion Laboratory. "Electric propulsion is becoming more popular and will benefit from our innovation. Ultimately, we will help improve the performance of in-space propulsion devices."

Provided by Georgia Institute of Technology