Characterization of a 600 A Barium Oxide-Based Hollow Cathode

In de uitgestrekte stilte van de ruimte, waar traditionele chemische raketten hun brandstof verbruiken, biedt elektrische voortstuwing een ander soort reis. Deze motoren, bekend als Hall-thrusters, verbranden geen brandstof om een plotselinge, gewelddadige duw te creëren. In plaats daarvan gebruiken ze elektriciteit om elektronen van gasatomen te strippen, waardoor een oververhitte wolk van geladen deeltjes, genaamd plasma, ontstaat. Om deze motor draaiende te houden, is een constante stroom van elektronen nodig om de uitlaat te neutraliseren; zonder deze elektronen zou het ruimtevaartuig een gevaarlijke elektrische lading opbouwen die de motor zou doen stoppen en het schip potentieel zou beschadigen. Het onderdeel dat verantwoordelijk is voor het leveren van deze elektronen is de holle kathode, een apparaat dat fungeert als het hart van de motor en constant een stroom deeltjes uitzendt om het plasma in stand te houden. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op specifieke materialen om deze kathodes te laten werken, maar naarmate de vraag naar krachtigere ruimtevaartuigen groeit, bereiken de oude materialen hun grenzen. Wanneer een thruster aanzienlijk meer vermogen moet produceren, moet de kathode veel hogere elektrische stromen kunnen verwerken zonder door te branden, een uitdaging die vraagt om een heroverweging van de materialen binnenin de motor.

Een team van onderzoekers van Colorado State University en Plasma Controls, LLC heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type holle kathode te bouwen en te testen dat in staat is een enorme elektrische stroom van 600 ampère te verwerken. Dit is een aanzienlijke sprong, aangezien eerdere hoogvermogen kathodes typisch gebruikmaakten van een materiaal genaamd lanthanumhexaboride, dat goed werkt maar zeer hoge temperaturen vereist om te functioneren. Het nieuwe ontwerp gebruikt echter een andere aanpak: een composietmateriaal gemaakt van wolfraam gemengd met barium-, calcium-, aluminium- en scandiumoxiden. Dit mengsel, bekend als een cermet, is ontworpen om elektronen bij lagere temperaturen uit te zenden, wat de motoren efficiënter en gemakkelijker te beheren kan maken. De onderzoekers construeerden een kathode waarbij de interne insert, het deel dat daadwerkelijk de elektronen uitzendt, in één stap werd gevormd tijdens een ovenbakproces. Deze methode vereenvoudigt de productie en zorgt ervoor dat de insert zijn eigen uitgangsgat, of orifice, als onderdeel van de initiële vorm bevat, waardoor de noodzaak voor complexe assemblage stappen later wordt weggenomen.

Om te zien of dit nieuwe ontwerp de barre omstandigheden van de ruimte zou kunnen overleven, plaatste het team de kathode in een grote vacuümkamer bij Colorado State University, die de omgeving van de diepe ruimte simuleerde. Ze pompten de lucht eruit totdat de druk bijna nul was, en introduceerden vervolgens kryptongas, een veelgebruikte drijfgas voor deze motoren, om te zien hoe de kathode zou reageren. De opstelling omvatte een massieve koperen spoel die een magnetisch veld genereerde dat vergelijkbaar is met dat van een echte ruimtevaartuigmotor, om ervoor te zorgen dat de testcondities realistisch waren. De onderzoekers stuurden de kathode door een breed bereik van elektrische stromen, van een bescheiden 50 ampère tot de volledige 600 ampère, terwijl ze de spanning, de gasstroom en de temperatuur van het apparaat nauwlettend in de gaten hielden. Ze gebruikten ook een speciaal optisch instrument om de hitte van de uitgang van de kathode te meten zonder deze aan te raken, zodat ze konden volgen hoe heet het materiaal werd tijdens de werking.

De resultaten toonden aan dat de nieuwe kathode opmerkelijk goed werkte. Bij de doelstroom van 600 ampère functioneerde het apparaat stabiel met een spanning rond de 20 tot 21 volt, mits de doorstroom van kryptongas boven een bepaald niveau werd gehouden. Wanneer de gasstroom te veel werd verminderd, werd de werking onstabiel, waarbij de spanning op en neer sprong op een manier die de motor in de loop van de tijd zou kunnen beschermen. Het team ontdekte dat de kathode kon schakelen tussen twee verschillende modi van werken: een stabiele modus waarbij het plasma geconcentreerd bleef nabij de uitgang, en een onstabiele modus waarbij het plasma zich verspreidde tot een diffuse wolk. De onstabiele modus was gekoppeld aan de creatie van hoogenergetische ionen, die gevaarlijk zijn omdat ze de interne onderdelen van de kathode kunnen eroderen. Door de gasstroom hoog genoeg te houden, slaagden de onderzoekers erin de kathode in de stabiele, veilige modus te houden. Ze ontdekten ook dat het apparaat snel kon opstarten en binnen minder dan twee minuten het volledige vermogen bereikte, een prestatie die verrassend was gezien het gebrek aan een traditionele verwarmingsspoel. In plaats daarvan gebruikte de kathode een slimme secundaire elektronenstroom om zichzelf op te warmen, wat bewees dat het ontwerp niet alleen krachtig maar ook praktisch was.

Met het oog op de toekomst gebruikten de onderzoekers de verzamelde gegevens om te schatten hoe lang deze kathode zou kunnen meegaan. Ze modelleerden de snelheid waarmee het barium in het materiaal langzaam zou verdampen en verloren zou gaan in de loop van de tijd. Hun berekeningen suggereren dat, onder de slechtst denkbare aannames, waarbij het materiaal constant op zijn hoogste snelheid barium verliest, de kathode potentieel honderdduizenden uren zou kunnen werken. Dit is een cruciale bevinding, aangezien het aangeeft dat het apparaat de gehele duur van langdurige ruimtemissies zou kunnen volstaan. Het team is echter voorzichtig om te merken dat dit een voorlopige schatting is gebaseerd op modellen, en geen garantie. De werkelijke levensduur zou korter kunnen zijn als andere factoren, zoals de bombardementen van hoogenergetische ionen op de keeperplaat van de kathode, schade veroorzaken voordat het barium op is. Om deze bevindingen te bevestigen, zijn de onderzoekers van plan om nog meer tests uit te voeren, inclus\nief het vernietigen van een kathode na een lange run om precies te onderzoeken hoe het materiaal van binnen is veranderd. Voor nu bewijst de studie dat een kathode op basis van bariumoxide aan de extreme eisen van hoogvermogen elektrische voortstuwing kan voldoen, wat de deur opent voor ruimtevaartuigen die verder en sneller kunnen reizen dan ooit tevoren.