English Version

Generator de Plasma Metalica

Institute of Space Science 409, Atomistilor Street, Magurele, Ilfov, Romania, 077125,Email: office@spacescience.ro

 

Director de Proiect :   Dr. Marian MOGILDEA

Membrii Echipei:   Dr. George MOGILDEA, Dr. Emil STAN, Drd. Florin MINGIREANU, Drd. Iulia JIVANESCU. Drd.Gabriel CHIRITOI.

 

Propulsie electrică a fost o zonă de intens pentru cercetare inca din anii 1960. In acest domeniul s-au realizat numeroase cercetari teoretice și experimentale. Propulsie electrica este folosita pentru a orienta sateliții pe orbita Pământului și pentru diferite misiuni interplanetare. Comparativ cu sistemele de propulsie chimica, sistemele de propulsie electrica au  impuls specific foarte mare la un consum de energie electrica mic. In prezent sistemele de propulsie electrica (motoare ionice) utilizeaza  combustibili gazosi ca Xenon, Argon, Heliu.

Carburantii gazoși prezintă urmatoarele dezavantaje:  atomii gazelor utilizate in propulsie au energie de  ionizare mare, sunt scumpe și au nevoie de un rezervor de mare pentru stocare. Stiind limitările existente ale sistemelor de propulsie spațiala comunitatea științifică cauta noi tehnologii de propulsie sau diferite metode de creștere a eficienței sistemelor de propulsie existente. Ca răspuns la aceasta provocare noi am  propus un model experimental care are ca scop creșterea eficienței sistemelor de propulsie electrice utilizand metale grele drept carburanți.

Prin urmare scopul principal al propunerii noastre este de a dezvolta un sistem experimental intitulat Generator de Plasmă Metalica (MPG). Proiectul este bazat pe o noua tehnologie de vaporizare și ionizare a firelor de metal (plumb) utilizand  un câmp de microunde.

Este bine cunoscut faptul că radiația de microunde este reflectată de obiecte metalice, dar în anumite cazuri microundele sunt absorbite de metale conducand  la vaporizarea acestora. Aceasta noua tehnologie ar fi  extrem de eficienta pentru sistemele de propulsie electrica dedicata domeniului spatial. Eficienta de propulsie este  data de proprietățile fizice ale metalului utilizat drept carburant. Un metal poate deveni combustibil pentru sisteme de propulsie electrice spațiale numai daca metalul este vaporizat, ionizat iar ioni metalici sunt accelerati. In  urma accelerarii ionilor metalici se obtine forta de impingere (propulsia). Datorita tehnologiei MPG  metalele grele pot fi convertite in carburanti pentru propulsia spatiala.

 

Principalele avantaje ale combustibililor metalici (Pb) sunt:

·         consum redus de energie electrică datorită faptului că atomii de Pb au o energie de ionizare mica (marea majoritate a sistemelor de propulsie electrică spațiiale actuale utiliza Xenon drept carburant, Xenonul are energie de ionizare mare si pret ridicat)

·         sistemul de propulsie va avea volum și greutate mica comparativ cu tehnologia actuală, sistemele de propulsie cu gaze  utilizeaza un rezervor pentru stocarea combustibilului gazos, sistemul MPG nu are nevoie de rezervor deoarece metalul utilizat drept combustibil se afla in stare solida.

·         sistemul MPG are randament ridicat deoarece combustibilul metalic (Pb) are de greutatea atomică mare, deci forta de reactiune va fi mai mare

 

 

Principalele obiective si activitatile lor sunt descrise in tabelul de mai jos:

Main objectives

Activities

1.       Documentation and analysis of the interaction of the microwave radiation with matter

1.1   Microwave generation and propagation - It will theoretically analyze how the microwave field is propagated in cylindrical waveguides having the TM011, TM012 and TM010 propagation modes, in order to find the most suitable waveguide for the MPG.   

1.2   Microwave interaction with metals – will lead to understanding the   dependency between the different microwave powers of the cylindrical waveguide and the quantity of vaporized and ionized metal; it will analyze the influence of different metal wire diameters on the quantity of vaporized and ionized metal. Theoretical computing will take place in order to determine the energy density of the microwave radiation in the focal point of the cylindrical waveguide.

1.3     Defining the experiment requirements

2.       Design of the experimental setup

2.1   Design of the cylindrical waveguide for the 2.45GHz frequency - the cylindrical waveguide is the ionization chamber where the metallic propellant will be vaporized and ionized by the microwave field

2.2   EM Power Supply Design – aimed to have over 90% efficiency, a variable  output  frequency (25Hz – 400Hz)  and pulse duration variable (1ms -20ms). It also enompasses the design of the system cooling for the electromagnetic source (magnetron + electronic board), which will ensure the optimal temperature for operating the microwave source and the electronics in vacuum conditions.

2.3   Design of the injector propellant – a system composed of mechanical and electronics subcomponents, which will push a reel of thin metallic wire (the solid propellant) in the high density energy region of the waveguide.

2.4   Design of the plasma acceleration system – it will design the grids necessary for plasma acceleration 

2.5   Design of the plasma characterization and measurement system

2.6   Preliminary planning

3.     Development of the experimental setup

3.1   Development of the cylindrical waveguide - for 2.45GHz frequency

3.2   Development of the EM Power Supply

3.3   Development of the injector propellant

3.4   Development of the plasma acceleration system

3.5   Integration of the experimental setup

3.6   Preliminary experimental setup functionality tests –tests in vacuum conditions in order to investigate the optimal gas quantity necessary for the MPG setup. The optimal gas quantity will be used together with metal wires in order to work as propellant.

3.7   Optimization of the experimental setup

4.       Experiment running and characterization

4.1   Metallic Plasma Diagnostics – Information referring to electron temperature, plasma density, plasma potential and metallic ions speed .

4.2   Report on experimental results

 

Proiectarea Generatorului de Plasma Metalica:

Generatorul de plasmă metalică este format dintr-un sistem electronic de control al combustibilului metalic, sursa de alimentare, sursa de microunde (magnetron comercial) și o cavitate cilindrică (fig. 1). In cavitatea cilindrică este introdus un fir metalic în câmp de microunde. Ca rezultat al absorbției câmpului de microunde, firul metalic va fi vaporizat  iar vaporii vor fi ionizati.

Fig.1 Principalele componente ale MPG sunt:

1- magnetron, 2- antena magnetron, 3- sistem de racire, 4- conducta pentru combustibil (fir de metal si gaz), 5- cavitate cilindrica,   6 –sistem de accelerare,

 7 – sistem de negativare, 8- sistem electronic pentru controlul injectorului de combustibil

 

 

 

Model Experimenta al Generatorului de Plasma Metalica

Pentru a studia procesul de absorbție a microundelor de catre fire metalice am realizat un sistem experimental MPG. Modelul experimental conține un generator de plasmă, o sursă de alimentare, o cușcă Faraday  și un sistem de evacuare a vaporilor metalici (fig. 2).

Fig.2 Model experimental al Generatorului de Plasma Metalica:

1- plasma, 2- fir metalic, 3-suport ceramic,  4- support de plastic, 5-sursa de alimentare, 6- cusca Faraday , 7-sistem de evacuare a vaporilor metalici, 8- buton de control al factorului de umplere al  semnalului electric aplicat pe anodul magnetronului

 

Modulul de alimentare a  generatorului de plasma metalica contine din trei surse de alimentare: o sursa de inalta tensiune si  două surse de joasă tensiune (DC). Cele doua surse de joasa tensiune alimenteaza filamentul magnetronului și sistemul de evacuare a vaporilor de metal, iar a  treia sursă alimenteaza anodului magnetronului. Aceasta furnizeaza la iesire impulsuri electrice de înaltă tensiune (~ 4kV). Frecvența de repetiție a impulsurilor este de 50 Hz, factorul de umplere a impulsurilor este între 1 ms și 20 ms. Cantitatea de metal vaporizat este controlat de un modul electronic. Modulul electronic controleaza factorul de umplere a impulsurilor electrice sursei care alimentează anodul magnetronului. Dacă factorul de umplere variază între 20% și 100%, puterea radiației microundelor din cavitatea cilindrica se modifică între 20 W și 800 W. In concluzie, prin modificarea factorului de umplere al semnalului electric aplicat pe anodul magnetronului, vom modifica cantitatea de metal vaporizat.

 

 

   Rezultate Experimentale:

 

Stiind ca mecanismului de absorbție a microundelor de catre mediile conductoare este caracterizat de pierderi ohmice, în experimentul nostru absorbția microundelor de catre  firele metalice este evidentiat prin procesul de vaporizare a firelor metalice in urma interacțiunii cu câmpul de microunde. Pentru observa efectele câmpului de microunde asupra  firelor metalice, am introdus in generatorul de plasma metalica fire de Pb cu diametrul de 0,5 mm. Astfel s-au determinat cantitatea de metal vaporizat in functie de puterea campului de microunde.

Fig. 3. Proba de Pb vaporizata si ionizata in campul de microunde din cavitatea cilindrica:  1- plasma metalica, 2- fir de plumb, 3- support ceramic, support de policarbonat.

Proba de Pb:  a – firul de Pb in stare initiala,  b – firul de Pb dupa expunere in camp de microunde

 

In tabelul 1 este aratata cantitatea de metal vaporizat si ionizat in functie de puterea campului de microunde din cavitatea cilindrica

 

The metal    wire

(0.5 mm diameter)

 

The microwave power (W)

inside the  cavity

The quantity of vaporized and  ionized metal (mg/s)

Melting point    ()

Electrical resistivity (Ω∙m) at 20℃

 

Lead

 

         150

3.6

 

327.46

 

 

         300

38

         600

43

Tabel 1

Diseminarea Rezultatelor:

Ř  Investigation of the absorption processes of the microwave radiation by metal wires, ISI article in press.

Ř  Direct vaporization and ionization of the metals wires using microwave field, ISI article in press.

Ř  Scientific Conference - Bucharest University Faculty of Physics 2014 Meeting

Ř  G. Mogildea, M. Mogildea,  Experimental  investigation  of  the  metals  vaporization and  ionization  with  microwave  used  as  propellant  for ionic propulsion, Journal of  Optoelectron. Adv. Mater. – Rapid Communication, Vol.4. No.3, pp 352-356 ,2010.

Ř  M. Mogildea, G. Mogildea, Experimental  investigation  of  the  metals  vaporization

and  ionization  with  microwave  used  as  propellant  for ionic propulsion,  Journal of  Optoelectron. Adv. Mater. Vol.12, No.5, pp 1157-1160,2010. 

Ř  G. Mogildea, M. Mogildea,  Experimental investigation of the microwave electrothermal thruster using metals as propellant, Journal of  Optoelectron. Adv. Mater. – Rapid Communication, Vol.4. No.11, pp 1826-1829 ,2010.

 

 

This project is supported by the Romanian Space Agency through (STAR) Space Technology and Advanced Research Programme (project No. 90/2013).