Dime-Size-Triebwerke könnten Satelliten und Raumschiffe antreiben
Die Elektrospray-Triebwerkschips von Accion Systems (in Gold dargestellt) sind auf einem fiktiven Satelliten angeordnet. (Bildnachweis: Accion Systems)
CAMBRIDGE, Massachusetts — Ein neues Triebwerk mit winzigen Triebwerken könnte verwendet werden, um eine Vielzahl von Raumfahrzeugen anzutreiben, von kleinen Satelliten bis hin zu bemannten Schiffen, die für die interplanetare Erforschung ausgelegt sind.
Der neue Antriebsmotor namens TILE, der für Tiled Ionic Liquid Electrospray steht, könnte als effiziente und leichte Möglichkeit dienen, Konstellationen von kleinen Satelliten in der Umlaufbahn zu halten. Raumfahrtunternehmen – darunter OneWeb, Boeing und SpaceX – wollen Hunderttausende dieser kleinen Satelliten starten, um allen Menschen auf der ganzen Welt Breitband-Internet zur Verfügung zu stellen. Und weil mehrere TILEs verbunden werden können, um mehr Leistung zu erzeugen, hat der Motor das Potenzial, treiben Astronauten zum Mars , so Accion Systems, das Unternehmen, das TILE entwickelt hat.
'Unsere Technologie beginnt im Nanometerbereich, und dann können wir das anordnen und auf Satelliten skalieren', sagte Natalya Bailey, CEO von Accion Systems. Bailey beschrieb den Antriebsmotor einem Publikum hier auf der New Space Age Conference an der Sloan School of Management des Massachusetts Institute of Technology (MIT) am 11. März. [ Antriebskonzepte für superschnelle Raumfahrzeuge (Bilder) ]
Bailey entwickelte das zugrunde liegende Antriebssystem zusammen mit dem Accion-Mitbegründer Louis Perna, während sie Ph.D. Studenten am MIT.
Der TILE-Motor verwendet eine Methode, die als Elektrospray-Antrieb mit ionischer Flüssigkeit bezeichnet wird. Das System basiert auf einer jahrzehntealten Technologie für den Schub von Satelliten, genannt elektrischer Antrieb , das elektromagnetische Felder verwendet, um geladene Atome oder Ionen aus der Rückseite eines Satelliten zu schießen, um ihn nach vorne zu schieben.
Aber diese Triebwerke, die als Hall-Effekt-Triebwerke bekannt sind, haben einige große Nachteile. Erstens verwenden sie Druckgastreibstoffe, die in großen, unter Druck stehenden Behältern gelagert werden müssen. Auch Hall-Triebwerke benötigen an mehreren Stellen elektrische Energie, um zuerst die Teilchen aufzuladen, um ein ionisiertes Gas zu erzeugen, und dann um dieses Plasma zu beschleunigen, um den Satelliten anzutreiben. All diese Dinge machen die Triebwerke voluminöser und schwerer, was sie viel zu groß macht, um als Antriebssysteme für kleine Satelliten zu dienen, sagte Bailey. Und dank der Gesetze der Plasmaphysik lassen sich die Motoren einfach nicht verkleinern.
'Im Wesentlichen stößt man auf einige Probleme mit wirklich heißen Elektronen und schmilzt das Gerät', sagte sie.
Eine schematische Darstellung eines TILE-Triebwerks von Accion Systems.(Bildnachweis: Accion Systems)
Im Gegensatz dazu hat das Ionenflüssigkeits-Elektrospray-Antriebssystem des TILE mehr mit einem Computerchip als mit einem riesigen, maßgeschneiderten Motor gemeinsam, sagte Bailey. Accion nennt das winzige Antriebsgerät sogar einen 'Thruster-Chip'. Es besteht aus Hunderten von Emittern, die Ionenstrahlen erzeugen, die von einem ungiftigen und nicht explosiven Treibmittel erzeugt werden, das eine Lösung auf Salzbasis ist.
Ein Array von 36 Thruster-Chips bildet die nach außen gerichtete Oberfläche eines TILE-Moduls, das etwa 10 x 10 x 12,5 cm (4 Zoll x 4 Zoll x 5 Zoll) misst – etwa die Größe einer Grapefruit. Unter der obersten Schicht des Moduls sind weitere Komponenten in einer bestimmten Reihenfolge gestapelt, darunter der salzbasierte Treibstoff, der in winzigen Tanks gespeichert ist, und die Leistungselektronik des Systems, die von den Solarpaneelen und Batterien der Satelliten betrieben wird. Wenn der Strom eingeschaltet ist, erzeugt die Batterie ein elektrisches Feld, das Ionen aus dem salzigen Treibmittel anzieht und sie durch die Tanks zu den Triebwerkschips zieht, die sie in einen Strahl trichtern und zum Antrieb ausstoßen.
Eine Illustration der mikroskopischen Triebwerke in einem Triebwerkschip von Accion Systems.(Bildnachweis: Accion Systems)
Ein bis vier TILEs könnten einen kleinen Satelliten mit einem Gewicht von 100 bis 440 lbs antreiben. (50 bis 200 Kilogramm), sagte Bailey. Das Anordnen von mehr Modulen in einem größeren Array könnte größere Satelliten steuern, ohne die zusätzliche Masse, fügte sie hinzu.
Bailey und Perna gründeten Accion Systems im Jahr 2014, um die Til-Technologie zu kommerzialisieren. 2015 erhielt das Unternehmen vom US-Verteidigungsministerium (DOD) einen 3-Millionen-Dollar-Auftrag zur Entwicklung seiner Technologie. In diesem Sommer wird das Unternehmen die TILE testen, um zu sehen, wie gut sie extremen Temperaturen, dem Vakuum des Weltraums und den Stößen und Vibrationen eines Starts standhält.
Nach dem Bestehen dieser Tests plant Accion, eine TILE in einen Kundensatelliten zu integrieren, sagte Bailey.
'Wir werden definitiv ins All gehen', fügte sie hinzu.
In weiteren 10 bis 15 Jahren hofft Accion Systems, die Technologie für die lange Reise zum Mars verfeinert zu haben. Wenn ein bemanntes Raumfahrzeug auf konventionelle Motoren angewiesen wäre, würde die Reise nach Schätzungen des Unternehmens so viel Treibstoff benötigen, dass das Schiff 4.000 Hall-Triebwerke unterstützen müsste. Allein die Treibstofftanks würden der Größe der Internationalen Raumstation entsprechen. Aber wenn die Reise mit dem TILE-Antrieb von Accion durchgeführt würde, würden der Motor und das Kraftstoffsystem den Platz eines Schuhkartons einnehmen, sagte Bailey.
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