Experimental investigation into the effect of gas mixtures on the performances of a plasma thruster

In the field of Electric Propulsion for CubSat applications, Magnetically Enhanced Plasma Thrusters represent an innovative technology due to their high flexibility in terms of gas propellant, mass flow rate, and power, and due to the absence of electrodes immersed in the plasma, which could meet erosion, thus reducing the lifetime of the device. The thesis project, achieved thanks to the company Technology for Propulsion and Innovation, aims at testing a laboratory thruster prototype with different mixtures in order to quantify possible changes of performances, i.e. thrust, due to a Penning ionization. The Penning effect is a phenomenon that might occur when a mixture composed by a main gas and a small amount of quenching gas (i.e., concentrations < 10%) is ionized: if the metastable/resonance energies of the main gas are near the ionization energy of the quenching gas, the energy required to ionize the mixture is lower than that required to ionize the pure main gas. During the test campaign, we characterized the plasma thruster performances in terms of thrust when fed by different mixture-ratio of Krypton/Propylene, and Xenon/Butene mixtures. In order to prepare the mixtures we used an ad hoc fluidic line. The tests have been done at the Center for Space Studies and Activities 'G. Colombo' of University of Padova by measuring the thrust with a counterbalance pendulum at different powers. The results show not significant differences between the Krypton-based mixtures and the pure Krypton, while variations in the thrust have been noticed between Xenon and Xenon-based mixtures.

Nell'ambito della Propulsione Elettrica per applicazioni di tipo CubeSat, i Magnetically Enhanced Plasma Thrusters rappresentano una tecnologia innovativa in quanto garantiscono una certa flessibilità in termini di gas propellente, portata massica e potenza, inoltre, non hanno elettrodi immersi nel plasma che potrebbero consumarsi e ridurre la vita operativa del thruster stesso. Il progetto di tesi, realizzato grazie all'azienda Technology for Propulsion and Innovation, ha come obiettivo di testare un prototipo da laboratorio con differenti miscele di gas, per quantificare variazioni delle performance, in termini di spinta, dovute alla ionizzazione di Penning. L'effetto Penning è un fenomeno che può verificarsi quando una miscela composta da un gas principale e una piccola quantità di gas drogante (con una concentrazione < 10 %) viene ionizzata: se le energie di stato metastabile/risonanza del gas principale sono circa uguali all'energia di ionizzazione del gas drogante, l'energia necessaria per ionizzare la miscela è inferiore a quella necessaria a ionizzare il solo gas principale. Durante la campagna di test abbiamo caratterizzato le performance del thruster in termini di spinta alimentandolo con miscele di Krypton/Propylene e Xenon/Butene a diverse concentrazioni. Abbiamo preparato le miscele attraverso una linea fluidica ad hoc. I test sono stati fatti presso il Centro di Ateneo di Studi e Attività Spaziali 'G. Colombo' dell'Università di Padova misurando la spinta attraverso una bilancia a diversi valori di potenza. I risultati non mostrano evidenti differenze tra il puro Krypton e miscele a base di Krypton, mentre sono più ampie e visibili nel caso di Xenon e miscele a base di Xenon.