空間技術公司ThrustMe與法國索邦大學的研究者成功在太空中測試了以碘為燃料的電力推進系統(tǒng)。該測試首次證實：碘不僅是傳統(tǒng)氙氣推進劑的可行替代品，而且還能實現(xiàn)推進系統(tǒng)的極致小型化。

這為小型衛(wèi)星提供了新的機動和空間探索潛力，對航天工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展十分重要。

相關論文于當?shù)貢r間11月17日發(fā)表在知名學術期刊《自然》上，論文標題為“In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system”。

航天器在太空中的機動，如軌道轉(zhuǎn)移、避免碰撞、軌道維護以及報廢處置等都需要推進器。由于燃料效率高，離子推進器之類的電力推進系統(tǒng)成為不錯選擇。然而，由于衛(wèi)星發(fā)電能力有限，電力推進系統(tǒng)通常使用能最大化其推力功率比的推進劑。目前，選擇的推進劑幾乎全是惰性氣體氙（以及少量氪）。

“傳統(tǒng)上，高性能電力推進系統(tǒng)主要使用氙氣作為推進劑。氙氣價格昂貴（5000美元/公斤）且商業(yè)生產(chǎn)有限，幾十年來該行業(yè)一直在尋找替代推進劑?！闭撐耐ㄓ嵶髡逿revor Lafleur對澎湃新聞（www.nxos.com.cn）記者表示。

氙氣非常稀有（大氣中不到百萬分之一），在其他行業(yè)如醫(yī)療、照明和半導體行業(yè)還有競爭性應用。隨著大型衛(wèi)星星座的興起，未來十年內(nèi)氙氣的需求可能會超過供應。

研究者稱，碘是一種改變游戲規(guī)則的推進劑。碘在推進方面的應用已被世界各地的公司、大學和航天機構進行了研究，不過，此前沒有在太空中進行過測試。

Lafleur介紹道，2020年11月，他們發(fā)射了世界上第一個以碘為推進劑的電力推進系統(tǒng)（NPT30-I2），該推進系統(tǒng)在一個體積10*10*10厘米、重20千克的CubeSat衛(wèi)星中。

此后，ThrustMe仔細分析推進系統(tǒng)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將飛行結果與地面測量結果進行比較。結果確認衛(wèi)星軌道變化與基于推進系統(tǒng)遙測的預測相匹配。

“我們的結果首次表明，碘不僅是氙的可行替代品，還有更好的性能。因為碘可作為固體在不加壓的情況下儲存，無需沉重的高壓儲存罐（氙氣通常在100-200倍大氣壓的高壓下儲存），而且儲存密度高。這就能進行大幅度的小型化，使我們能夠生產(chǎn)一個非常小的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以為小型衛(wèi)星提供部署、避免碰撞甚至太空探索的新能力。”Lafleur表示。

碘的腐蝕性是這項工作面臨的主要問題之一。為此，研究人員使用陶瓷材料并將碘以固體形式儲存。碘使用來自衛(wèi)星的太陽能電池板的電力加熱，并保存在直接連接到電離室的罐中。在那里，氣體被電子轟擊，產(chǎn)生等離子體。然后，等離子體中的正離子被電網(wǎng)加速，產(chǎn)生推力。

“碘比氙氣便宜得多且量更多，因此該技術有潛力解決這個行業(yè)的推進劑可持續(xù)性挑戰(zhàn)?！?Lafleur總結道，“這對衛(wèi)星星座特別有利，也會產(chǎn)生其他商業(yè)好處?！?/p>

“比如，我們的推進系統(tǒng)是獨立的，它包括運行所需的所有子系統(tǒng)。由于碘是在未加壓情況下儲存的，因此我們能夠提供預加燃料的系統(tǒng)，沒有爆炸風險。這意味著最終用戶無需像使用傳統(tǒng)氙氣推進劑那樣執(zhí)行任何推進劑處理操作，也不需要任何專門的推進劑裝載設備。他們可以直接將推進系統(tǒng)與衛(wèi)星集成?！?/p>

如今，電子設備的能力不斷提高，進入太空的能力也不斷增強，這導致衛(wèi)星向小型化轉(zhuǎn)變，用于地球觀測、災害管理、氣候變化監(jiān)測、城市規(guī)劃和全球互聯(lián)網(wǎng)接入。不過，由于小型衛(wèi)星的嚴格尺寸限制，并非都能有合適的推進系統(tǒng)。此項工作則展現(xiàn)出碘在衛(wèi)星小型化上的應用潛力。

此外，對于大型衛(wèi)星和衛(wèi)星星座，可使用更多的推進劑而不加壓儲存，將有助于簡化衛(wèi)星設計和推進系統(tǒng)集成，并減少氙氣的市場需求，這可能對其他產(chǎn)業(yè)有好處。

問及此項工作的主要困難，Lafleur表示，雖然碘在1811年就被發(fā)現(xiàn)了，但其仍有物理特性不為人所知，諸如缺乏碘對不同材料的腐蝕速率、重要等離子體反應的電子-碘橫截面、甚至某些溫度-壓力范圍內(nèi)的比熱相關的可靠數(shù)據(jù)。

他也表示碘等離子體化學比氙氣復雜得多，帶來了許多實際的工程挑戰(zhàn)，諸如防止氣化的碘再沉積造成堵塞、消除碘對重要推進系統(tǒng)部件的腐蝕，以及小型化的挑戰(zhàn)。