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Regímenes iónicos de emisión vía electrospray. Aplicación a propulsión iónica

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2010
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2010-06-25
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La aplicación de un campo eléctrico suficientemente elevado como para vencer la tensión superficial en un líquido conductor, tiene como resultado la deformación de la interfaz del líquido con el medio exterior, haciendo que adopte una forma cónica conocida como de Taylor, por ser éste uno de los primeros autores en estudiar el fenómeno. El vértice del menisco tiende a estirarse formando un chorro, cuya rotura en su parte final puede explicarse como consecuencia del acoplo inestable de modos clásicos de perturbación condicionados por la componente electrostática del problema. El resultado es la emisión de gotas cargadas eléctricamente y/o iones, conocida comúnmente como electrospray. El tamaño de dichas partículas depende en primera instancia de las propiedades físicas del líquido, llegando a producirse gotas de orden nanométrico. A conductividades elevadas (superiores a 1 S/m), los campos eléctricos en el vértice del cono adquieren valores característicos del orden de 1 V/nm, produciendo emisión en forma de iones. Las aplicaciones nanotecnológicas del electrospray son importantes en campos tales como la medicina, química, electrónica, propulsión, etc. El interés es creciente en los últimos años, como muestra el elevado número de publicaciones realizadas, y en particular el galardón del premio Nobel de Química del año 2002 a John B. Fenn, por su contribución al desarrollo de métodos de ionización para el análisis de macromoléculas biológicas mediante espectrometría de masas. El presente trabajo se centra en el estudio de las emisiones iónicas del electrospray, que permite su aplicación como sistema de propulsión espacial de elevada eficiencia y precisión. La actual tecnología de propulsión eléctrica, ha conseguido cubrir relaciones masa/carga superiores a 10⁵ Dalton con emisiones vía electrospray en forma de gotas (propulsión coloidal). Las fuentes iónicas de plasma (Xe⁺) y de metales líquidos en caliente (Cs⁺ y Au⁺), no permiten superar los 197 Dalton. El rango comprendido entre ambas magnitudes estaba tradicionalmente sin cubrir. Este proyecto tiene como objetivo fundamental estudiar las condiciones en las que se pueden producir emisiones iónicas puras con relaciones masa/carga superior a los metales líquidos, con aplicación en propulsión iónica. Para la caracterización de dichos regímenes iónicos, se diseña y construye una instalación en vacío que permite medir el tiempo de vuelo de las partículas emitidas, registrando la distribución de intensidad en función del tiempo al interrumpir súbitamente el electrospray, técnica que se conoce como Time Of Flight (tiempo de vuelo). Permite operar calentando el líquido para aumentar su conductividad, y posee resolución suficiente como para distinguir entre varios tipos de iones. El sistema funciona como un espectrómetro de masas (de interés no sólo en propulsión), que permite inferir la relación masa/carga de las partículas emitidas (parámetro crítico para propulsión), así como otros de notorio interés, como el empuje, el impulso específico, el flujo másico, el rendimiento, etc. Se han estudiado sales fundidas que permanecen en fase líquida a temperatura ambiente, conocidas como líquidos iónicos. En los resultados presentados se observan por primera vez condiciones en las que la emisión se realiza exclusivamente en forma de iones (sin gotas), a temperatura ambiente para el 1-Etil-3Metil-imidazolium-Tetrafluoroborato y en caliente para una extensa familia de líquidos iónicos. Se ha conseguido por tanto, una nueva fuente pura de iones moleculares, con la particularidad de ser la fuente de iones (de corriente significativa) más pesados que existe en la actualidad. También se incluye el estudio del 1-Etil-3Metil-imidazolium-Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, propelente que será usado en el sistema de micropropulsión del “Disturbance Reduction System” de la NASA que será probado en la misión LISA Pathfinder de la ESA, como preludio de la misión LISA.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The application of an electric field high enough to compensate surface tension on a conductive liquid, tends to deform the interface with the external media adopting a conical geometry known as Taylor cone, since this was one of the first authors who studied to phenomena. Meniscus vortex tends to pull out forming a jet, which finally breaks due to classic jet break up phenomena conditioned by the electrostatic component of the problem. The result is the emission of electrical charged colloids and/or ions, usually known as electrospray. Size of emitted particles depends on first approach on the physical properties of the liquid, which allow producing drops up to the nanometric range. On the other hand, ions can be emitted from the tip by inducing electric fields of the order of 1V/nm with high conductive liquids (above 1S/m). Nanotechnology applications for electrospray are important on the fields of medicine, chemistry, electronics, propulsion, etc. Interest is rising in current years as it can be notice by the high numbers of scientific publications and the 2002 Nobel prize of Chemistry granted to John B. Fenn, for the “development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules”. The present work is focused on the ionic emission of electropray, which allows the application as high efficient and accurate electric propulsion system. Current technology covers m/q ratios above 10⁵ Dalton with electrospray droplet formation (colloidal propulsion). On the other hand plasma sources (Xe⁺) and liquid metal ion sources (Cs⁺ and Au⁺) are above 197 Dalton, so the range in between such sources was traditionally uncovered. This project studies the conditions in which ionic emissions can be observed with higher m/q than ionic liquids but lower than colloidal electrosprays, with application in ionic propulsion. Characterization of such regimes is made through the design and implementation of an experimental setup in vacuum which allows the time of flight measurement of the emitted particles, registering the time dependant current distribution when the electrospray is suddenly interrupted. It allows heating up the liquid in order to increase the conductivity and resolution is high enough to distinguish between different types of ions. The systems works as a rough mass spectrometer (interest not only for propulsion) which allows to determine the m/q ratio of the emitted particles, as well as to calculate other propulsion parameters as the thrust, specific impulse, mass flow rate and efficiency. Room temperature molten salts known as ionic liquids are studied. Results show emission formed only by ions (absence of droplets) at room temperature for the 1-Etil-3Metil-imidazolium-Tetrafluoroborato and at higher temperature for many others liquids, founding a novel source of heavy molecular ions. 1-Etil-3Metil-imidazolium-Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide is also studied as propellant for the micropropulsion system for the NASA’s “Distrubance Reduction System” to be tested in the ESA’s LISA Pathfinder mission as prelude of LISA mission.
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Keywords
Electrostática, Propulsión eléctrica, Electrospray, Emisiones iónicas
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