WVU-Forscher erforschen alternative Quellen für Weltraumantriebssysteme

Ripu Singh Nirwan, Absolvent der West Virginia University, und Thomas Steinberger, wissenschaftlicher Assistenzprofessor am WVU Eberly College of Arts and Sciences, führen die erste Ausrichtung eines neuen gepulsten Nanosekundenlasers durch, der in einem von der NASA finanzierten Projekt zur Erprobung von Alternativen eine Rolle spielen wird Treibstoffquellen für Raumfahrtantriebssysteme. (WVU Foto/Nathaniel Godwin)

Aufgrund des weltweiten Mangels an herkömmlichen Antriebstreibstoffen sind Satelliten und Raumfahrzeuge leer. Als Reaktion darauf suchen zwei Forscher der West Virginia University nach alternativen Möglichkeiten, die Triebwerke anzutreiben, die Satelliten im Orbit halten und möglicherweise tiefe Raumschiffe antreiben könnten.

Earl Scime, Oleg D. Jefimenko, Professor für Physik und Astronomie, und Thomas Steinberger, wissenschaftlicher Assistenzprofessor, beide am WVU Eberly College of Arts and Sciences, haben einen Zuschuss in Höhe von 748.000 US-Dollar aus dem „Established Program to Stimulate Competitive Research“ der NASA zur Erforschung von Antriebssystemen erhalten die nicht auf herkömmliche Kraftstoffquellen angewiesen sind.

EPSCoR ermutigt Staaten wie West Virginia, sich um Bundesmittel zu bemühen, um eine Infrastruktur zu entwickeln, die sie für zukünftige Finanzierungen wettbewerbsfähig macht. Scime sagte, er und Steinberger würden diese Gelegenheit nutzen, um den Grundstein für die Durchführung von Experimenten mit Plasmatriebwerken zu legen. Plasmatriebwerke werden verwendet, um Satelliten im Orbit auf der richtigen Bahn zu halten, Orbitaländerungen vorzunehmen und die Fluglage eines Raumfahrzeugs zu korrigieren.

Vor Jahren wurden die Triebwerke von Raumfahrzeugen mit Hydrazin angetrieben, einer giftigen und brennbaren Treibstoffquelle. Heute werden die meisten von einem Plasmatriebwerk angetrieben, das Xenon nutzt, ein Edelgas, das aus der Erdatmosphäre gewonnen wird.

„Es ist ein kostspieliger Prozess“, sagte Scime. „Normalerweise fällt es als Nebenprodukt bei der Stahlherstellung an, und eine der größten Destillationsanlagen der Welt zur Herstellung von Xenon befindet sich in Mariupol in der Ukraine und wurde zerstört. Ein großer Teil der weltweiten Xenon-Vorräte ist versiegt und der Vorrat ist sehr knapp.“

Eine Alternative zu Xenon ist Krypton, allerdings ist auch dieses schwer zu bekommen, da es ebenfalls in der Ukraine hergestellt wurde. Darüber hinaus wurde ein großer Teil von SpaceX für seine Starlink-Satelliten auf dem freien Markt gekauft. Da Krypton knapp geworden ist, ist Starlink auf Argon umgestiegen.

„Die Abhängigkeit von seltenen Edelgasen für den Antrieb von Raumfahrzeugen ist zu einem echten Problem geworden“, sagte Scime.

Zu diesem Zweck haben er und Steinberger Jod – das in fester Form vorliegt – als alternativen Kraftstoff untersucht.

„Es hat einige enorme Vorteile“, sagte Steinberger. „Man kann es in einem Raumschiff in ein kleines Volumen packen. Sie benötigen keine Hochdrucktanks oder Gashandhabung. Vor einigen Jahren interessierten wir uns für Jod, bekamen von der US-Luftwaffe Geräte zur Herstellung von Jodplasmen und entwickelten ein Diagnosegerät zur Messung des Jodionenflusses. Jetzt blicken wir auf den nächsten Schritt.“

Scimes Team leistete Pionierarbeit bei der Laserspektroskopie an Jodplasmen und entwickelte die weltweit erste Methode zur Messung der Geschwindigkeit von ionisiertem Jod aus einem Triebwerk.

„Wir haben der NASA vorgeschlagen, hier jodbasierte Triebwerke mit unseren Lasertechniken zu testen, damit die Menschen Jodtriebwerke besser charakterisieren können“, sagte er.

Da Jod schädlich ist und in großen Testkammern Atemprobleme verursachen kann, werden Scime und Steinberger eine kleinere, einfachere Kammer bauen, um die Diagnosetechnologie für Ionentriebwerke zu entwickeln und zu perfektionieren, die dann auf größere Einrichtungen übertragen werden könnte.

Während sich das Team in der Anfangsphase des dreijährigen Projekts befindet, plant es, eine Rolle bei der Entwicklung von Methoden zur Messung der guten Leistung eines Triebwerks zu spielen.

„Wir bauen Triebwerke auf Jodbasis“, sagte Scime. „In 20 Jahren würden wir also damit rechnen, viele Jodantriebssysteme auf Satelliten und vielleicht sogar auf Langzeitmissionen zum Mars zu sehen. Hoffentlich werden wir diese Art von Triebwerken in großem Umfang sehen. Und wir würden Teil des Prozesses sein, damit sie gut funktionieren.“

Keine andere Gruppe führt Laserspektroskopie an ionisiertem Jod durch, obwohl viele ihre Forschung auf der Grundlage der Arbeit von Scime und Steinberger betreiben.

„Wir haben gezeigt, dass es funktioniert“, sagte Scime. „Die Signale sind wirklich gut. Wir gehen davon aus, dass bald viele andere Gruppen Jodlaserspektroskopie durchführen werden.“

Scime und Steinberger sagten, sie hoffen, dass die WVU als Ort bekannt wird, an dem fortgeschrittene Diagnosen sowohl für jodbasierte als auch für andere Arten von Triebwerken durchgeführt werden können.

„Hier sehen wir unsere Nische“, sagte Scime. „Wir sind die richtige Anlaufstelle für Leute, die sagen: ‚Ich möchte ein Triebwerk mit dieser Gasmischung betreiben.‘ Können Sie mir ein Laserschema geben, mit dem ich die Geschwindigkeit der austretenden Partikel messen kann? Und genau das werden wir tun.

Melanie Page ist Direktorin des NASA West Virginia Space Grant Consortium/NASA EPSCoR und stellvertretende Vizepräsidentin für kreative und wissenschaftliche Aktivitäten im WVU Research Office. „Aktuelle Daten aus dem Jahr 2021 zeigen, dass die 28 EPSCoR-Staaten zusammengenommen nicht so viel davon profitiert haben.“ Die Finanzierung und die wirtschaftlichen Auswirkungen der NASA waren ebenso von Bedeutung für den einen Bundesstaat Kalifornien“, sagte Page. „Deshalb ist das EPSCoR-Programm so wichtig – es schafft gleiche Wettbewerbsbedingungen für die Entwicklung der Forschungsinfrastruktur, damit die brillanten Wissenschaftler aus West Virginia fair um staatliche Forschungsgelder konkurrieren können.“

Scime erwartet viel Spaß bei der Arbeit an diesem Projekt. „Und wir sind dafür gut aufgestellt“, fügte er hinzu. „Die NASA freut sich sehr darüber, dass wir das vorantreiben, denn sie wird die Techniken brauchen.“

-WVU-lr/03/30/23MEDIENKONTAKT: Laura RobertsWissenschaftliche AutorinWVU Research Communications304-293-5507; [email protected]

Rufen Sie 1-855-WVU-NEWS an, um die neuesten Nachrichten und Informationen von WVUToday zur West Virginia University zu erhalten.

Folgen Sie @WVUToday auf Twitter.