Les chercheurs de Georgia Tech Jud Ready (à gauche) et Graham Sanborn posent avec un équipement utilisé pour faire pousser des nanotubes de carbone au Georgia Tech Research Institute (GTRI) à Atlanta. Les nanotubes sont testés pour une utilisation potentielle dans les futurs systèmes de propulsion ionique à propulsion électrique. Crédit :Rob Felt
Une paire de réseaux de nanotubes de carbone volera dans l'espace d'ici la fin de l'année pour tester une technologie qui pourrait fournir une micro-propulsion plus efficace pour les futures générations d'engins spatiaux. Partie d'un satellite cube (CubeSat) développé par l'Air Force Institute of Technology (AFIT), les réseaux prendront en charge ce qui devrait être le tout premier test spatial de nanotubes de carbone en tant qu'émetteurs d'électrons.
Des chercheurs du Georgia Tech Research Institute (GTRI) ont produit les matrices à l'aide d'une technologie unique qui fait croître des faisceaux de nanotubes alignés verticalement et intégrés dans des puces de silicium. Dans les futures versions des propulseurs ioniques électriques, les électrons émis par les pointes des nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour ioniser un gaz propulseur tel que le xénon. Le gaz ionisé serait ensuite éjecté à travers une tuyère pour fournir une poussée pour déplacer un satellite dans l'espace.
"La mission caractérisera dans quelle mesure ces sources d'électrons à émission de champ fonctionnent dans l'environnement spatial par rapport à leur efficacité au sol dans une chambre à vide, " a déclaré Jud Ready, un ingénieur de recherche principal du GTRI. "Les vibrations de lancement et l'exposition à un environnement spatial comprenant de l'oxygène atomique et des micrométéorites pourraient avoir des effets inhabituels sur les réseaux. Cette mission nous aidera à évaluer si ces émetteurs d'électrons à nanotubes de carbone pourraient être utilisés dans des propulseurs ioniques."
Les propulseurs ioniques existants reposent sur des cathodes thermoioniques, qui utilisent des températures élevées générées par le courant électrique pour produire des électrons. Ces appareils nécessitent des quantités importantes d'électricité pour produire de la chaleur, et doivent consommer une partie du propulseur pour leur fonctionnement.
Si les réseaux de nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme émetteurs d'électrons, ils fonctionneraient à des températures plus basses avec moins de puissance - et sans utiliser le propulseur limité à bord. Cela pourrait permettre des temps de mission plus longs pour les satellites, ou réduire le poids des systèmes de micro-propulsion.
Les réseaux de nanotubes de carbone font partie d'ALICE, un micro-satellite CubeSat développé et construit par l'Air Force Institute of Technology de la base aérienne de Wright-Patterson dans l'Ohio. Lors d'une mission prévue le 5 décembre depuis la base aérienne de Vandenberg en Californie, ALICE se rendra dans l'espace sur une fusée Atlas V utilisée pour lancer une charge utile distincte et beaucoup plus grande. Seulement 10 x 10 x 30 centimètres, ALICE fera partie d'un ensemble de huit CubeSats - ainsi nommés parce qu'ils s'intègrent dans de petits lanceurs modulaires attachés au satellite principal.
Les travaux pourraient conduire à des systèmes de micro-propulsion améliorés utiles aux petits engins spatiaux, dit Jonathan Black, directeur du Centre de recherche et d'assurance spatiale de l'AFIT.
Un rendu d'artiste montre à quoi ressemblera le CubeSat ALICE dans l'espace. Développé et construit par l'Air Force Institute of Technology, le micro-satellite testera le fonctionnement des nanotubes de carbone en tant qu'émetteurs d'électrons dans l'espace. Crédit :Institut de technologie de l'Air Force
"Une technologie comme les appareils testés sur ALICE est essentielle à notre future capacité à manœuvrer des microsatellites ou à changer leurs orbites, " a-t-il expliqué. " Pouvoir incorporer la propulsion dans des microsatellites comme les CubeSats augmente la longévité des missions et les types de missions qu'ils peuvent effectuer. Des démonstrations réussies de technologies de pointe comme celles qui sont pilotées sur ALICE conduiront finalement à de plus petites, propulsion plus légère et plus économe en énergie, résultant en une diminution des coûts de lancement tout en augmentant les performances de tous les satellites utilisant la propulsion électrique."
S'appuyant sur une équipe multi-services, Les ingénieurs AFIT du département de génie électrique ont développé une charge utile pour exposer directement les réseaux de nanotubes de carbone à l'environnement spatial tout en protégeant un réseau de contrôle identique dans le satellite. Les tableaux, qui font environ un centimètre carré, seront allumés et éteints et leur comportement étudié. L'expérience de charge utile utilise un dispositif de capteur connu sous le nom d'analyseur électromagnétique miniaturisé intégré (iMESA), conçu par des ingénieurs de l'U.S. Air Force Academy (USAFA). Les données collectées par le satellite seront téléchargées et traitées à l'AFIT par les étudiants et techniciens du Département Aéronautique et Astronautique.
Les réseaux de nanotubes de carbone sont d'excellents conducteurs et leur géométrie en fait des émetteurs d'électrons idéaux.
"Nous utilisons des nanotubes de carbone car ils ont un rapport d'aspect élevé et fournissent un point nanométrique qui émet les électrons, " dit Graham Sanborn, qui a travaillé sur le projet dans le cadre de son doctorat. thèse à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Le champ électrique se concentre sur la pointe afin que nous puissions obtenir une émission d'électrons à des tensions inférieures à celles qui pourraient être nécessaires pour d'autres matériaux."
GTRI utilise une série d'étapes de dépôt et de gravure pour fabriquer les matrices dans les salles blanches de Georgia Tech. Chaque tableau carré d'un centimètre contient jusqu'à 50, 000 faisceaux de nanotubes, et chaque faisceau est développé à partir d'une fosse de cinq microns gravée dans le silicium.
"La conception a une géométrie spécifique pour éviter les courts-circuits électriques entre des électrodes très proches les unes des autres, " expliqua Sanborn.
Cette image au microscope montre des faisceaux de nanotubes de carbone cultivés dans des fosses sur cette micropuce de silicium. L'image en médaillon montre une coupe transversale de la façon dont les faisceaux sont cultivés dans les fosses. Crédit :Graham Sanborn
Les engins spatiaux sont lancés à l'aide de fusées chimiques qui fournissent de grandes quantités de poussée. Une fois en orbite, cependant, les véhicules peuvent utiliser des propulseurs électriques pour changer d'orbite ou effectuer d'autres manœuvres.
"Les propulseurs ioniques fournissent de très faibles quantités de poussée, " Sanborn a déclaré. "Ils poussent juste des molécules de gaz, mais ils fonctionnent très efficacement. Les propulseurs ioniques peuvent fonctionner pendant des milliers d'heures à la fois. Cumulativement, vous pouvez obtenir un changement de vitesse significatif."
L'acronyme ALICE est composé de plusieurs autres acronymes. Le "A" représente l'AFIT, tandis que le "L" est pour LEO - l'orbite terrestre basse où le satellite fonctionnera. Le « I » représente le système iMESA ; le "C" est pour les nanotubes de carbone, tandis que le "E" représente "Expérience".
Le satellite, le premier pour l'AFIT, a été conçu, testé et intégré par une équipe multi-départementale de professeurs, étudiants et techniciens. Le partenariat avec le GTRI et l'USAFA a offert aux étudiants de chaque établissement la possibilité de participer à des recherches révolutionnaires susceptibles d'avoir un impact sur de nombreux futurs satellites utilisant la propulsion électrique.
D'autres applications potentielles pour les émetteurs d'électrons à base de CNT de Georgia Tech comprennent des écrans, attaches électrodynamiques, électronique à vide et tubes à ondes progressives.
