Silnik do ekstrakcji pola nanocząstek
Ster strumieniowy do ekstrakcji pola nanocząstek lub NanoFET to eksperymentalny szybki silnik statku kosmicznego opracowywany przez University of Michigan . Zapewnia ciąg, emitując naładowane cząstki. Cząsteczki te to cylindryczne nanorurki węglowe , które mogą być albo przechowywane w zbiornikach, albo wytwarzane podczas lotu. Zmieniając rozmiar tych cząstek, nanoFET może zmieniać swoją efektywność paliwową ( impuls właściwy ), a co za tym idzie wielkość ciągu, przy zachowaniu wysokiej sprawności energetycznej. Ta możliwość regulacji zapewnia nanoFET charakterystykę działania wszystkich silników elektrycznych w jednym. Podobnie jak inne elektryczne systemy napędowe, nanoFET nie jest przeznaczony do pracy w atmosferze ziemskiej, ale do operacji na orbicie iw przestrzeni kosmicznej.
Zasada
Regulowana siła i impuls właściwy nanoFET sprawiają, że jest on niezwykle wszechstronny. Może wytwarzać większy ciąg przy mniejszym zużyciu energii i paliwa niż jakikolwiek inny elektroniczny system ciągu. Ponadto w systemie jako całości nie gromadzi się żaden ładunek; ładunek ujemny nagromadzony na jednej podkładce ładującej jest anulowany przez ładunek dodatni zgromadzony na innej podkładce ładującej. Wysoki poziom integracji z pojemnikami na paliwo sprawia, że jest niezwykle kompaktowy i łatwy do umieszczenia na statku kosmicznym. Niestety, podobnie jak wszystkie inne elektroniczne silniki odrzutowe, nie wytwarza ciągu nawet zbliżonego do tego, jaki wytwarzają obecne rakiety chemiczne (kilkaset niutonów w porównaniu do ~15 milionów niutonów). Chociaż fakt, że nie potrzebuje kilku milionów funtów paliwa, znacznie kompensuje tę różnicę mocy, w swojej obecnej formie nanoFET nie nadają się do startów naziemnych.
NanoFET działa w dość prosty sposób. Składa się z trzech głównych części: obszaru przechowywania cząstek, podkładki ładującej i siatki akceleracyjnej. Na początek transportuje cylindryczne cząstki do podkładki ładującej, która następnie ładuje cząstki. Gdy cząstka zyskuje ładunek, siła przyciągania z siatki przyspieszenia wzrasta. Ostatecznie ta siła ciągnąca pokonuje siły elektromagnetyczne i siły adhezji powierzchniowej między cząstkami a podkładką ładującą. Teraz cząstka zaczyna przyspieszać w kierunku siatki przyspieszenia, aż zostanie wystrzelona z nanoFET, w konsekwencji popychając nanoFET w przeciwnym kierunku.
Istnieją dwa rodzaje nanoFET, suchy nanoFET i „normalny” mokry nanoFET. Przedrostek odnosi się do ich metody transportu cząstek, mokry nanoFET wykorzystuje ciecz, podczas gdy suchy nie.
Mokry NanoFET
Większość prototypów i testów do tej pory wykonano na mokrym nanoFET. Ta konstrukcja wykorzystuje ciecz o niskim napięciu powierzchniowym, niskiej lepkości i nieprzewodzącej cieczy do transportu i/lub przechowywania cylindrycznych cząstek. Cząsteczki te to nanorurki węglowe o rozmiarach od 1 nm do 100 nm. Problemy z tym projektem obejmują możliwość koloidów , parowanie cieczy w przestrzeni oraz zwiększoną przestrzeń i wagę.
Suchy NanoFET
Ta odmiana wydaje się być lepsza niż mokry nanoFET, ponieważ nie ma żadnych problemów związanych z cieczą mokrych nanoFET. Niestety, nie ujawniono zbyt wielu informacji na temat tego, w jaki sposób udaje mu się transportować cząsteczki do podkładki ładującej. Gdy znajdzie się na podkładce ładującej, wykorzystuje piezoelektryczną , aby wprawić cząsteczki w ruch i usunąć je z podkładki ładującej. To przerywa siłę przyczepności i znacznie zmniejsza ich przyciąganie do podkładki ładującej, umożliwiając siatce przyspieszenia rozpoczęcie ich wyciągania. [ potrzebne źródło ]
Wyzwania
Jak można sobie wyobrazić, podczas projektowania nanoFET napotkano wiele wyzwań. Jednym z głównych był sposób transportu cząsteczek do podkładki ładującej. Podczas gdy płyn jest najłatwiejszym sposobem transportu cząstek, może tworzyć małe stożki ( stożki Taylora ) i naładowane kropelki ( koloidy ), które poważnie wpływają na zdolność nanoFET do precyzyjnego dostrojenia jego ciągu. Początkowo ciecze nieprzewodzące o niskim napięciu powierzchniowym i lepkości , takie jak 100 cSt Stwierdzono, że olej silikonowy jest w stanie wytrzymać duże pole elektromagnetyczne bez tworzenia koloidów. Później opracowano prototypy wykorzystujące suche mechanizmy do transportu cząstek. Te konfiguracje suchego nanoFET wykorzystują elektronicznie uruchamiane materiały ( piezoelektryki ) do rozbijania napięcia powierzchniowego i wprawiania cząstek w ruch.
Podobnie cząstki sferyczne były używane we wczesnych prototypach, ale później zostały zastąpione cząstkami cylindrycznymi. Dzieje się tak głównie dlatego, że cząstki cylindryczne uzyskują znacznie większy ładunek niż cząstki kuliste, ponieważ podczas ładowania stoją na końcu. Ponieważ cylindry łatwiej penetrują powierzchnię cieczy i zabierają ze sobą mniej cieczy, są idealnym kształtem dla nanoFET. Te właściwości pozwalają na ekstrakcję cylindrycznych nanocząstek, podczas gdy najmniejsze możliwe do ekstrakcji kulki są rzędu milimetrów.
