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碘,冲出天际的新应用

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原理 2021-11-27 20:44
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当我们提起时,大多时候想到的可能是它能够作为消毒剂使用,或者是它能作为一种额外成分被添加在食盐中。现在,在一项新发表于《自然》杂志的研究中,首次显示了它还可以成为卫星推进器的优秀推进剂。

推进系统对许多卫星来说都是非常重要的部分,卫星需要这种系统来执行一些空间上的机动操作,比如轨道转移、避免碰撞、轨道维护等等。在航天工业中,推进技术的选择非常关键,因为它决定了所需推进剂的质量大小。

电力推进系统,比如离子推进器就是一种很有吸引力的选择,因为这些使用电力来加速推进剂的系统有着很高的燃料效率。由于卫星的发电能力有限,因此电力推进系统通常只使用一种推进剂,以最大限度地提高其推力的功率比。

碘是一种在大气压下熔点和沸点非常接近的物质。当加热时,碘很容易形成紫色气体。在较低的压力下,它能直接从固体升华为气体。而这一特性,使它在一段时间以来,一直被科学家认为是推进器燃料的一个优秀候选。现在,一家名为ThrustMe的科研团队首次演示了在太空中用碘作为燃料驱动离子推进器

离子推进器是一类燃料效率很高的电子推进器,它已经被用于许多卫星上,其工作原理是用电(通常由太阳能电池板产生)从中性原子上剥离一个电子,形成一个离子。然后,一个通了电的电网会利用电磁相互作用,将这些带电物质高速排出飞行器,产生推力。

目前,惰性气体是这类推进系统的一种主要推进剂。但它的缺点也很明显,这种化学物质非常稀有,在地球大气中的含量不到千万分之一,生产成本昂贵。而且作为一种气体,氙要储存在高压容器中,这需要配备专门的设备。

碘似乎是氙的一种理想替代品。在元素周期表上,它紧挨着氙,有着与氙相近的原子质量。另外,碘比氙更容易电离,失去一个电子所需耗费的能量是氙的10%。而且与氙不同的是,碘在自然界的储量更加丰富,价格也便宜很多。在存储方面,它在非加压状况下是以固体形式存在的,这使得它的储存也比氙要容易得多。只要稍微加热,它就能够转变为运行离子推进器时所需的气体。

在这项研究中,研究人员设计了一个可载满固体碘的燃料库,这个燃料库可以通过太阳能电池板驱动的加热器加热。碘本身存在于一个多孔的氧化铝材料中,这样可以防止它们在发射过程中受到振动而破碎。燃料库通过一根小管与电离室连接,当系统被使用过、再被冷却之后,会有足够多的碘在这根小管中凝固,将燃料与外部世界隔开。

一旦进入电离室,碘气体就会受到电子的轰击,这些电子会与其他电子相撞,形成等离子体。然后在它们附近的电网就能加速等离子体中的正离子,产生推力。热提取器则被连接到电子设备和装有碘的小管的壁上,当推进器发射时,热量会循环进入碘燃料中。这使得当推进器达到稳定状态时,蒸发碘所需的功率可降至一瓦特。

整个装置非常紧凑,所占空间相当于一个边长为10厘米的立方体,质量仅为1.2千克。而且,根据某些标准,它比使用氙作为推进剂的推进器的性能优异50%。

研究人员在太空中用一颗质量为20千克的CubeSat小型卫星对碘驱动的推进系统进行了测试。这颗卫星于2020年11月6日由火箭发射,被放置在海拔480千米的轨道上。截止到2021年2月28日,研究团队已经在一系列的小型演习中,成功地在这一系统上实践了11次操作。他们发现,用碘推进的系统优于用氙推进的系统,因为前者具有更高的整体能源效率。这样的结果突显了碘作为推进剂的可行性。

不过,碘作为一种推进剂材料也并非完美无缺。它最大的缺点是具有腐蚀性,会与大多数金属发生反应。这使得研究团队必须用陶瓷和聚合物等物质来保护推进系统的部分部件。另外,固体碘需要大约10分钟才能转变为等离子体,这可能导致当轨道上即将发生碰撞情况时,碘无法提供快速的推进剂。

但总体而言,这是非常值得欣喜的结果。因为如果人类想要更加可持续地进行太空探索,进一步解决产生大量太空垃圾的问题,就必须在所有卫星上都安装推进系统。因此,有着比传统推进剂氙更优异表现的碘,或许会是达到这一目标的有效途径。

#创作团队:

文:不二北斗

#参考来源:

https://www.thrustme.fr/post/49-world-s-first-demonstration-of-an-iodine-electric-propulsion-system-in-space

https://www.newscientist.com/article/2297957-iodine-powered-satellite-successfully-tested-in-space-for-first-time/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04015-y

https://arstechnica.com/science/2021/11/new-iodine-based-plasma-thruster-tested-in-orbit/

#图片来源

封面图:ThrustMe

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