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

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

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

航天器在太空中的機(jī)動(dòng)，如軌道轉(zhuǎn)移、避免碰撞、軌道維護(hù)以及報(bào)廢處置等都需要推進(jìn)器。由于燃料效率高，離子推進(jìn)器之類的電力推進(jìn)系統(tǒng)成為不錯(cuò)選擇。然而，由于衛(wèi)星發(fā)電能力有限，電力推進(jìn)系統(tǒng)通常使用能最大化其推力功率比的推進(jìn)劑。目前，選擇的推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)主要使用氙氣作為推進(jìn)劑。氙氣價(jià)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(jìn)劑。”論文通訊作者Trevor Lafleur對(duì)澎湃新聞（www.kxwhcb.com）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(dǎo)體行業(yè)還有競(jìng)爭(zhēng)性應(yīng)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(huì)超過供應(yīng)。

研究者稱，碘是一種改變游戲規(guī)則的推進(jìn)劑。碘在推進(jìn)方面的應(yīng)用已被世界各地的公司、大學(xué)和航天機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，不過，此前沒有在太空中進(jìn)行過測(cè)試。

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

此后，ThrustMe仔細(xì)分析推進(jìn)系統(tǒng)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并將飛行結(jié)果與地面測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果確認(rèn)衛(wèi)星軌道變化與基于推進(jìn)系統(tǒng)遙測(cè)的預(yù)測(cè)相匹配。

“我們的結(jié)果首次表明，碘不僅是氙的可行替代品，還有更好的性能。因?yàn)榈饪勺鳛楣腆w在不加壓的情況下儲(chǔ)存，無需沉重的高壓儲(chǔ)存罐（氙氣通常在100-200倍大氣壓的高壓下儲(chǔ)存），而且儲(chǔ)存密度高。這就能進(jìn)行大幅度的小型化，使我們能夠生產(chǎn)一個(gè)非常小的推進(jìn)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(xiàng)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(chǔ)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(shù)有潛力解決這個(gè)行業(yè)的推進(jìn)劑可持續(xù)性挑戰(zhàn)。” Lafleur總結(jié)道，“這對(duì)衛(wèi)星星座特別有利，也會(huì)產(chǎn)生其他商業(yè)好處。”

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

如今，電子設(shè)備的能力不斷提高，進(jìn)入太空的能力也不斷增強(qiáng)，這導(dǎo)致衛(wèi)星向小型化轉(zhuǎn)變，用于地球觀測(cè)、災(zāi)害管理、氣候變化監(jiān)測(cè)、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(yán)格尺寸限制，并非都能有合適的推進(jìn)系統(tǒng)。此項(xiàng)工作則展現(xiàn)出碘在衛(wèi)星小型化上的應(yīng)用潛力。

此外，對(duì)于大型衛(wèi)星和衛(wèi)星星座，可使用更多的推進(jìn)劑而不加壓儲(chǔ)存，將有助于簡(jiǎn)化衛(wèi)星設(shè)計(jì)和推進(jìn)系統(tǒng)集成，并減少氙氣的市場(chǎng)需求，這可能對(duì)其他產(chǎn)業(yè)有好處。

問及此項(xiàng)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(duì)不同材料的腐蝕速率、重要等離子體反應(yīng)的電子-碘橫截面、甚至某些溫度-壓力范圍內(nèi)的比熱相關(guān)的可靠數(shù)據(jù)。

他也表示碘等離子體化學(xué)比氙氣復(fù)雜得多，帶來了許多實(shí)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(duì)重要推進(jìn)系統(tǒng)部件的腐蝕，以及小型化的挑戰(zhàn)。