用初中物理知识“碘升华”，发了一篇Nature!

将碘用作卫星推进剂降低成本，已在太空中成功试行
固体碘在加热时直接转化为气体——这一特性已被用于制造廉价、紧凑的发动机，在小型卫星的大型网络建设中具有商业可行性。
在称为星座（卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网）的灵活网络组织中的卫星比单独运行的卫星更灵活、更有弹性。操纵卫星进入这样的星座需要廉价、可靠和高效的发动机。许多联网卫星都有电力推进器，利用电能加速推进剂气体的离子，从而产生推力。然而，气体的选择存在一个问题。电离氙气需要相对较少的能量，但氙气价格昂贵，需要在高压罐中进行压缩，以便安装在卫星上。氪更便宜，但仍然需要一个复杂的重气储存和供应系统。Rafalskyi等人报道了一个成功的碘离子推进器并在太空中的演示，它提供了一种比氙或氪更便宜、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。

碘与其他推进剂的不同之处在于其固体形式在加热时升华。这意味着Rafalskyi及其同事的系统中使用的固体碘可以直接放入推进器，从而消除了对大型高压罐和复杂气体供给系统的需要。碘晶体可以简单地加热，在这个推进器中将晶体转化为气体只需要1瓦特的功率，而太阳能可以达到这个目的，这符合美国宇航局的太阳能电力推进项目。

碘基电力推进系统
Rafalskyi等描述的推进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。这些电子移动缓慢，所以当它们与气体分子碰撞时，它们只是从它上面反弹，分子的电荷保持中性。为了将气体转化为等离子体，作者使用了射频天线，这会在腔室中产生电磁场，加速电子，使碰撞产生足够的力将电子从分子中击落。这会产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，并将其向推进器排气方向加速。出口处的阴极产生电子，这些电子被注入离子束中和离子而不会减慢离子速度。这颗卫星射出的粒子束向前推进。当推进器不使用时，关闭加热器会迅速冷却气体，将其转化为固体。因此，将储罐连接至管道的小孔中截留的气体会形成一个固体碘塞，从而防止在不需要控制阀的情况下进一步流动。
该系统不仅非常简单、轻便、便宜，而且效率高。在太空测试他们的发动机之前，Rafalskyi等人对氙气进行了直接比较，氙气由外部储气罐供应。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产生的电流强近50%，即使在这两种情况下气体的流动速率和射频功率相同。这是因为碘具有比氙更低的电离能，以及其他提高碘电离形成等离子体速率的特性。由于碘等离子体包含的电子能量低于电离氙，因此碘等离子体通过等离子体与其密封室壁之间的相互作用损失的能量更少。
目前，这一简单高效的系统已在太空中证明了其可行性。发射到太空的小型卫星数量从2011年的39颗稳步增加到2019年的389颗，然后在2020年跃升到1202颗。因此，在全球范围内，有许多研究正在开发类似的发动机。Busek是马萨诸塞州纳蒂克的一家航天器推进公司，拥有一系列功率从100千瓦到20千瓦的推进器。所有这些发动机都能够使用氙气或碘，具体取决于任务的要求。
如今，降低成本、延长空间资产寿命的愿景比以往任何时候都更加强烈——这一愿景旨在利用可重复使用的火箭所带来的较低成本。对于大型卫星星座，比如由位于加州霍索恩的航空航天制造商SpaceX计划的42000颗卫星星链系统，将推进剂从氙或氪改为碘将节省数百万美元。进一步的节省可能来自于简化推进剂的储存和供应技术，这也将通过减少推进器的质量来节省资金。
卫星星座并不是唯一能从这项技术中获益的空间任务类型。例如，位于加利福尼亚州托伦斯的研究公司Varda Space Industries正在建造世界上第一个商业性的太空零重力工业园。该设施将生产由于重力影响而难以在地球表面建造的产品，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在国际空间站展示了3D打印组织结构在太空中的可行性。廉价的碘基推进器可能会降低在轨制造成本，帮助工厂将产品运出轨道并返回地球。
然而，电推进器的使用并非没有挑战。碘具有很强的腐蚀性，对电子设备和其他卫星子系统构成潜在危险——Rafalskyi等不得不使用陶瓷和聚合物来保护其系统的金属部件。他们还需要通过将晶体嵌入多孔氧化铝基质中来强化固体碘，从而增加系统的重量和体积。此外，固体碘需要相对较长的时间（约10分钟）才能加热到升华温度，这可能使推进器在轨道上难以产生足够的反应速度以避免碰撞。在将这项技术安全地纳入工作卫星之前，需要解决这些挑战。尽管如此，现在它已经在太空中得到验证，Rafalskyi等开发的系统对电力推进技术迅速变化的前景做出了令人印象深刻的贡献。
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)
来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

---