Patterned Porous Carbon for Electrospray Ion Thrusters

Miniature satellites are gaining importance in the space industry. With the increasing capability of miniaturized commercial-of-the-shelf sensors, low manufacturing and launch costs, and the release of new swarming methodologies, miniature satellites can lower costs for applications like remote sensing, weather monitoring, unmanned deep-space exploration, etc. One handicap to adoption and development has been the lack of propulsion systems, which must align with strict dimensional and safety constraints, and provide thrust for orbital maneuvers and propulsion. Compressed fluid propulsion systems, that include rockets and cold gas systems, provide thrust and have been successfully miniaturized, but are unable to propel the satellite over the entire mission. Electrical systems can provide propulsion over the entire mission duration, but do not provide the same amount of thrust as compressed fluids. However, electrostatic propulsion systems can be miniaturized and multiplexed to provide consistent satellite propulsion over an extended mission lifetime. By using ionic liquid as the ion source, a compact ionic electrospray system, where the liquid is ejected by high accelerating voltages from a porous or capillary emitter, can be developed.

Résumé

Les satellites miniatures gagnent en importance dans l'industrie spatiale. L'amélioration des mini capteurs commerciaux, la diminution des coûts de fabrication et de lancement ainsi que l'apparition de nouvelles méthodes de déploiement ont permis au satellite miniature de réduire les coûts d'applications spatiales longtemps onéreuses. Celui-ci permet notamment de réaliser de la télédétection, de la surveillance météorologique ou encore de l'exploration sans pilote dans l'espace lointain. Cependant, son utilisation est conditionnée à l'apparition de systèmes de propulsions adéquat devant respecter des contraintes dimensionnelles et sécuritaires strictes au milieu spatial. Les systèmes de propulsion à fluide comprimé, comme les fusées et les systèmes à gaz froid, fourniraient une poussée suffisante et ont été miniaturisés avec succès, mais ils ne sont pas en mesure de propulser le satellite miniature pendant toute la durée d'une mission. Les systèmes électriques peuvent eux assurer la propulsion sur toute la durée d'une mission, mais ne fournissent pas une quantité de poussée suffisante. Néanmoins, ces derniers peuvent être miniaturisés et combinés ensemble pour assurer une propulsion du satellite homogène durant une mission prolongée. En utilisant un liquide ionique comme source d'ions, il est possible de développer un système électro-spray ionique compact, dans lequel le liquide est éjecté par le biais de tensions d'accélération élevées émises par un émetteur poreux ou capillaire.