用初中物理知识“碘升华”，发了一篇Nature!

将碘用作卫星推动剂低落本钱，已在太空中胜利试行

固体碘在加热时直接转化为气体——这一特征已被用于制作便宜、紧凑的动员机，在小型卫星的年夜型收集建设中具有贸易可行性。

在称为星座（卫星星座是发射入轨能正常事情的卫星的聚拢，通常是由一些卫星环按必定的方式设置装备摆设构成的一个卫星网）的机动收集组织中的卫星比零丁运行的卫星更机动、更有弹性。把持卫星进入如许的星座必要便宜、靠得住和高效的动员机。很多联网卫星都有电力推动器，应用电能加快推动剂气体的离子，从而发生推力。然而，气体的选择存在一个问题。电离氙气必要相对较少的能量，但氙气价钱昂贵，必要在高压罐中进行紧缩，以便安装在卫星上。氪更廉价，但仍旧必要一个繁杂的重气储存和供给体系。Rafalskyi等人报道了一个胜利的碘离子推动器并在太空中的演示，它提供了一种比氙或氪更廉价、更简单的替代选择。相关论文以“In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system”为题，发编在Nature杂志。

碘与其他推动剂的分歧之处在于其固体情势在加热时升华。这意味着Rafalskyi及其同事的体系中使用的固体碘可以直接放入推动器，从而打消了对年夜型高压罐和繁杂气体供应体系的必要。碘晶体可以简单地加热，在这个推动器中将晶体转化为气体只必要1瓦特的功率，而太阳能可以到达这个目标，这相符美国宇航局的太阳能电力推动项目。

碘基电力推动体系

Rafalskyi等描写的推动器中使用的碘气体输入到腔室后被电子轰击，形成一种含离子和电子气体，称为等离子体。在任何中性气体中，都有少量的“自由”电子，它们不附在任何分子或原子上。这些电子移动迟缓，以是当它们与气体分子碰撞时，它们只是从它上面反弹，分子的电荷坚持中性。为了将气体转化为等离子体，作者使用了射频天线，这会在腔室中发生电磁场，加快电子，使碰撞发生足够的力将电子从分子中击落。这会发生两个自由电子以及形成等离子体所需的离子。

然后，使用一组带电网格从等离子体中提取碘离子，并将其向推动器排气偏向加快。出口处的阴极发生电子，这些电子被注入离子束中和离子而不会减慢离子速率。这颗卫星射出的粒子束向前推动。当推动器不使用时，封闭加热器会敏捷冷却气体，将其转化为固体。是以，将储罐衔接至管道的小孔中扣留的气领会形成一个固体碘塞，从而防止在不必要节制阀的环境下进一步流动。

该体系不仅异常简单、简便、廉价，并且效力高。在太空测试他们的动员机之前，Rafalskyi等人对氙气进行了直接比拟，氙气由外部储气罐供给。他们发现，从碘等离子体源喷出的离子束中的电流比使用氙气发生的电流强近50%，纵然在这两种环境下气体的流动速度和射频功率雷同。这是由于碘具有比氙更低的电离能，以及其他进步碘电离形成等离子体速度的特征。因为碘等离子体包括的电子能量低于电离氙，是以碘等离子体经由过程等离子体与其密封室壁之间的互相作用损失的能量更少。

今朝，这一简单高效的体系已在太空中证实了其可行性。发射到太空的小型卫星数目从2011年的39颗稳步增长到2019年的389颗，然后在2020年跃升到1202颗。是以，在环球规模内，有很多研讨正在开发相似的动员机。Busek是马萨诸塞州纳蒂克的一家航天器推动公司，拥有一系列功率从100千瓦到20千瓦的推动器。所有这些动员机都可以或许使用氙气或碘，详细取决于义务的要求。

现在，低落本钱、延伸空间资产寿命的愿景比以往任何时刻都加倍强烈——这一愿景旨在应用可反复使用的火箭所带来的较低本钱。对付年夜型卫星星座，好比由位于加州霍索恩的航空航天制作商SpaceX方案的42000颗卫星星链体系，将推动剂从氙或氪改为碘将节俭数百万美元。进一步的节俭可能来自于简化推动剂的储存和供给技术，这也将经由过程削减推动器的质量来节俭资金。

卫星星座并不是独一能从这项技术中获益的空间义务类型。例如，位于加利福尼亚州托伦斯的研讨公司Varda Space Industries正在建造天下上第一个贸易性的太空零重力工业园。该举措措施将临盆因为重力影响而难以在地球外面建造的产物，如3D打印的动脉和心脏，以及某些药物。2018年，位于莫斯科的生物技术公司3D Bioprinting Solutions在国际空间站展现了3D打印组织布局在太空中的可行性。便宜的碘基推动器可能会低落在制度造本钱，赞助工场将产物运出轨道并返回地球。

然而，电推动器的使用并非没有挑战。碘具有很强的腐蚀性，对电子装备和其他卫星子体系组成潜在危险——Rafalskyi等不得不使用陶瓷和聚合物来掩护其体系的金属部件。他们还必要经由过程将晶体嵌入多孔氧化铝基质中来强化固体碘，从而增长体系的重量和体积。此外，固体碘必要相对较长的光阴（约10分钟）能力加热到升华温度，这可能使推动器在轨道上难以发生足够的反响速率以避免碰撞。在将这项技术平安地纳入事情卫星之前，必要办理这些挑战。只管如斯，如今它已经在太空中获得验证，Rafalskyi等开发的体系对电力推动技术敏捷变化的远景做出了令人印象深入的进献。

参考文献：

1. Rafalskyi, D. et al. Nature 599, 411–415 (2021).

2. Goebel, D. M. & Katz, I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters (Wiley, 2008).

3. Levchenko, I. et al. Nature 562, 185–187 (2018).

4. Parfenov, V . A. et al. Sci. Adv. 6, eaba4174 (2020)

起源：高分子科学前沿

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