Magnetohydrodynamic Drive for Water-Based CubeSat Propulsion

Abstract

[ES] Se ha desarrollado un modelo analítico para estimar el rendimiento de una nueva arquitectura de célula electrolítica magnetohidrodinámica (MHD) de microgravedad. Esta tecnología se encuentra actualmente en desarrollo con el objetivo final de separar el hidrógeno y el oxígeno del agua en microgravedad. El modelo utiliza el equilibrio de momentos entre la fuerza de Lorentz y la tensión de corte ejercida por la diferencia de velocidad del fluido cerca de las paredes. Los resultados analíticos preliminares predicen la velocidad angular del electrólito de agua en función de la geometría, el campo magnético y el voltaje entre electrodos. Después de calcular la velocidad angular, el modelo calcula la aceleración centrípeta ejercida sobre el líquido. Esta aceleración se utiliza para derivar la velocidad terminal radial de las burbujas de gas y determinar la capacidad de extracción del dispositivo. Estas herramientas permiten un análisis preliminar y optimización del sistema. Por último, se propone un diseño de propulsión para CubeSat junto con un sistema de propulsión y se analiza el rendimiento predicho del sistema.

[EN] An analytical model is developed to estimate the performance of a novel low-gravity magnetohydrodynamic (MHD) electrolytic cell architecture. This technology is currently under development with the ultimate goal of separating hydrogen and oxygen from water in microgravity. The model employs the torque balance between the Lorentz force and the shear stress exerted by the velocity difference of the fluid near the walls. Preliminary analytical results predict the angular velocity of the water-electrolyte depending on the geometry, the magnetic field, and the voltage between electrodes. After computing the angular velocity, the model computes the centripetal acceleration exerted into the liquid. This acceleration is used to derive the radial terminal velocity of gas bubbles and determine the extraction capacity of the device. The model predictions are verified with experimental results obtained in ZARM’s drop tower. Ultimately, these tools enable a preliminary analysis and optimization of the system, which, with a 1U size and a mass of 1kg, can provide an impulse of ∆U = 4.32 m/s per hour. Additionally, the MHD drive is included in a compact 1U propulsion system with the capability to perform small orbital maneuvers (∆U = 110 m/s) and to provide attitude control. The propulsion system is specifically designed for a 6U CubeSat.