Ein Verfahren zum Bereitstellen eines geeigneten Flüssigkeitskandidaten für ein Elektrospray-System wird bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird ein Öffnungsradius für eine Öffnung des Elektrospray-Systems (10, 30) erhalten, durch die die elektrisch zu sprühende Flüssigkeit gezogen wird. Als Nächstes wird eine elektrische Koronagrenzfeldkurve als eine Funktion von relativen Permittivitäten von Flüssigkeitskandidaten berechnet, um das elektrische Feld zu bestimmen, bei dem unerwünschte Koronaentladung auftreten wird. Die maximale Oberflächenspannung wird berechnet, die mittels des Systems elektrisch gesprüht werden kann und daraufhin wird ein Flüssigkeitskandidat bereitgestellt, der eine gewählte relative Permittivität und eine Oberflächenspannung hat, welche gleich oder niedriger als die maximale Oberflächenspannung ist, um dadurch einen geeigneten Flüssigkeitskandidaten mit einer geeigneten Oberflächenspannung bereitzustellen, der zu einem Elektrospray führt, das die Anforderungen des Elektrospray-Systems erfüllt.
Pieterse, Cornelius Louwrens (Northern Cape, Kenhardt, ZA)
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die elektrische Koronagrenzfeldkurve unter Verwendung eines Rousse-Modells berechnet wird, wobei das Modell auf eine hyperbolische Punkt-zu-Ebene-Geometrie eines Tröpfchens anwendbar ist, welches an der Öffnung des Elektrospray-Systems gebildet wird, und für einen Krümmungsradius des Tröpfchens von mehr als 100 μm und einen Krümmungsradius von weniger als 100 μm getrennt definiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Rousse-Modell so definiert wird, dass die Umgebungsdruck-, Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen berücksichtigt werden, in denen das Elektrospray-System betrieben werden wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrische Koronagrenzfeldkurve durch Berechnen des elektrischen Koronagrenzfelds (EC) für eine Reihe von relativen Permittivitäten von Flüssigkeitskandidaten unter Verwendung der Gleichung erhalten wird:
5. Verfahren zum Gestalten eines Elektrospray-Systems (
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Verfahren den Schritt des Bereitstellens des Elektrospray-Systems (
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei ein Schub (T) und ein spezifischer Impuls (Isp) des Elektrospray-Systems (
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schub (T) und spezifische Impuls (Isp) aus den Gleichungen angenähert werden:
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei ein minimaler Volumenstrom (Qmin) empirisch bestimmt wird und die elektrische Leitfähigkeit (K) eines Flüssigkeitskandidaten mit dem Schub (T) und spezifischen Impuls (Isp) gemäß der Gleichung in Beziehung stehen:
10. Elektrosprüh-System (
11. Elektrosprüh-System gemäß Anspruch 10, wobei die elektrisch leitende Flüssigkeit durch die mindestens eine Kapillare (
12. Elektrosprüh-System gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei eine Pumpe als Teil des Elektrosprüh-Systems bereitgestellt wird, wobei die Pumpe in Fluidverbindung mit der Kapillare ist, um eine größere Durchflussrate der Flüssigkeit bereitzustellen, falls und wenn es erforderlich ist.
13. Elektrosprüh-System gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Elektrosprüh-System ein elektrostatisches Antriebssystem für ein Raumfahrzeug ist und die elektrisch leitende Flüssigkeit ein Treibstoff ist.
14. Elektrosprüh-System gemäß Anspruch 13, wobei das elektrostatische Antriebssystem eine Beschleunigerelektrode aufweist, welche von der Öffnung und der zweiten Elektrode räumlich getrennt ist, und welche so angeordnet ist, dass sie Partikel einer Elektrospray-Wolke auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, bevor sie ausgestoßen werden.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der südafrikanischen vorläufigen Patentanmeldung mit der Nummer 2014/04141, eingereicht am 6. Juni 2014, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Elektrospray-System und insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen von Parametern eines Elektrospray-Systems.
Ein Elektrospray-System ist ein Gerät, das Elektrizität nutzt, um eine feine Wolke von nano- oder mikrometergroßen Tröpfchen durch den Prozess zu erzeugen, der elektrohydrodynamische Zerstäubung genannt wird. Elektrospray-Systeme werden unter anderem in vielen Anwendungen verwendet, wie z. B. dem Elektrospinnen von Nanofasern, Massenspektrometrie, der Ablagerung von Partikeln für Nanostrukturen, Arzneimittelabgabe, Luftreinigung, fortschrittliche Drucktechniken und weltraumgestützte elektrostatische Antriebssysteme, die auch Kolloidtriebwerke genannt werden.
Ein Elektrospray-Gerät besteht in seiner einfachsten Form aus einer Kammer zum Aufnehmen einer Flüssigkeit, die mit einer Kapillare mit einer kleinen Öffnung (Durchlass) an ihrer Spitze verbunden ist, die die zu sprühende Flüssigkeit durch die Öffnung leitet. Die Kapillare dient als eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode wird in einem geeigneten Abstand von der Kapillare positioniert. Eine Spannungsquelle legt eine Spannung an den Elektroden an. Die Flüssigkeit wird abgegeben durch Anlegen eines starken elektrostatischen Felds an der Spitze der Kapillare mit Hilfe einer Spannungsquelle. Im Einsatz wird die zu sprühende Flüssigkeit so aus der Kapillare gezogen, dass an der Öffnung der Kapillare ein Tröpfchen gebildet wird, und bei einer bestimmten Schwellenspannung (Grenzspannung) wird das elektrische Feld an der Spitze der Kapillare ausreichend stark, sodass die Oberflächenspannung der Flüssigkeit überwunden wird. Die geringfügig abgerundete Spitze des Flüssigkeitstropfens kehrt sich um, d. h. bildet einen Taylor-Kegel, und gibt einen Flüssigkeitsstrahl ab. Während sich dieser Strahl von der Öffnung fortbewegt, wird er schließlich instabil und zerfällt in einen Sprühnebel hoch geladener Tröpfchen. Im Fall von Anwendungen, wie z. B. Antriebssystemen, werden die Flüssigkeitströpfchen daraufhin durch ein elektrisches Feld beschleunigt, um Antriebskraft oder Schub zu erzeugen.
Bei hohen Spannungen oberhalb einer bestimmten Schwellenspannung treten Koronaentladungen auf, welche das Elektrospray-Gerät beschädigen, Zerstäubung destabilisieren und/oder andere schädliche Wirkungen haben können. Koronaentladung ist eine elektrische Entladung, die durch die Ionisierung des Fluids verursacht wird, das einen Leiter umgibt, der elektrisch mit Energie versorgt wird. Während viele zumindest geringfügig leitende Flüssigkeiten in Elektrospray-Systemen verwendet werden können, muss eine in Frage kommende Flüssigkeit eine Oberflächenspannung haben, die durch das angewendete elektrische Feld überwunden wird, bevor das elektrische Koronaentladungsfeld erreicht wird. Die Spannung, bei der die Oberflächenspannung überwunden wird, ist von der Flüssigkeit selbst abhängig sowie von der geometrischen Anordnung des Elektrospray-Systems. Es ist im Allgemeinen wünschenswert, eine Flüssigkeit mit einer hohen Oberflächenspannung zu haben, da die Flüssigkeit sich mit größerer Wahrscheinlichkeit in kleinere Tropfen zerstäuben wird und kleinere Tropfen zu einem höheren Antriebswirkungsgrad und genaueren Satellitenpositionshaltevorgängen führen. Viele scheinbar geeignete Flüssigkeiten mit hohen Oberflächenspannungen haben jedoch ein elektrisches Koronagrenzfeld, das niedriger ist als das elektrische Feld, das erforderlich ist, um sie für eine gegebene geometrische Anordnung elektrisch zu sprühen, was sie für eine besondere Anwendung ungeeignet macht.
Gegenwärtige Gestaltungsverfahren von Elektrospray-Systemen für eine besondere Anwendung beinhalten Auswählen einer Flüssigkeit durch Prüfung verschiedener Flüssigkeiten für eine bestimmte Konfiguration und/oder geometrische Anordnung eines Systems auf Grundlage von Versuch und Irrtum (engl.: trial and error). Durch empirisches Testen der Elektrospray-Fähigkeiten einer Reihe von Flüssigkeiten auf demselben Elektrospray-Gerät können die Flüssigkeiten identifiziert werden, die die beste Leistung liefern, wie z. B. kleine Tröpfchen- oder Partikelgröße für einen erhöhten spezifischen Impuls. Dieses Identifizierungsverfahren einer geeigneten Flüssigkeit für ein Elektrospray-System kann zeitaufwendig und umständlich sein. Sobald eine geeignete Flüssigkeit identifiziert worden ist, ist diese Flüssigkeit nicht notwendigerweise für eine unterschiedliche geometrische Anordnung eines Elektrospray-Systems geeignet oder optimal. Die Erfindung versucht, diese Probleme zumindest bis zu einem gewissen Grad zu lösen.
Die vorangegangene Erörterung des Hintergrunds der Erfindung soll lediglich das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern. Es versteht sich, dass die Erörterung keine Anerkennung oder kein Zugeständnis ist, dass jegliches Material, auf das Bezug genommen wurde, Teil des allgemeinen Fachwissens zum Prioritätstag der Anmeldung war.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines geeigneten Flüssigkeitskandidaten (im Sinne einer für die Anwendung in Frage kommenden Flüssigkeit) für ein gegebenes Elektrospray-System bereitgestellt, das die Schritte aufweist: Erhalten eines Öffnungsradius für eine Öffnung des Elektrospray-Systems, durch welche die elektrisch zu sprühende Flüssigkeit gezogen wird; Berechnen einer elektrischen Koronagrenzfeldkurve in Bezug auf den Öffnungsradius als eine Funktion relativer Permittivitäten der Flüssigkeitskandidaten, um die elektrischen Felder zu bestimmen, bei denen unerwünschte Koronaentladungen auftreten werden; Bestimmen einer maximalen Oberflächenspannung für den geeigneten Flüssigkeitskandidaten durch Multiplizieren des Öffnungsradius mit einer Vakuumpermittivität, einer relativen Permittivität der Atmosphäre oder einer relativen Permittivität eines Isoliermediums, Dividieren des Ergebnisses durch vier und Multiplizieren des weiteren Ergebnisses mit dem Quadrat eines elektrischen Koronagrenzfelds, das aus der elektrischen Koronagrenzfeldkurve erhalten wurde; und Bereitstellen einer Flüssigkeit als den geeigneten Flüssigkeitskandidaten, die eine gewählte relative Permittivität hat und eine Oberflächenspannung hat, die gleich oder kleiner als die maximale Oberflächenspannung ist, um dadurch einen geeigneten Flüssigkeitskandidaten mit einer geeigneten Oberflächenspannung bereitzustellen, der zu einem Elektrospray führt, das die Anforderungen des gegebenen Elektrospray-Systems erfüllt.
Weitere Merkmale der Erfindung stellen eine elektrische Koronagrenzfeldkurve bereit, unter Verwendung eines Rousse-Modells berechnet zu werden, wobei das Modell auf die hyperbolische Punkt-zu-Ebene-Geometrie eines Tröpfchens anwendbar ist, das an der Öffnung des Elektrospray-Systems gebildet wird und für einen Krümmungsradius des Tröpfchens von mehr als 100 μm und einen Krümmungsradius von weniger als 100 μm getrennt definiert wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht für das Rousse-Modell vor so definiert zu werden, dass die Umgebungsdruck-, Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen berücksichtigt werden, bei denen das Elektrospray-System betrieben wird.
Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht für die elektrische Koronagrenzfeldkurve vor ermittelt zu werden durch Berechnen des elektrischen Koronagrenzfelds (EC) für eine Reihe von relativen Permittivitäten von Flüssigkeitskandidaten unter Verwendung der Gleichung:
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Gestaltungs- bzw. Auslegungsverfahren eines Elektrospray-Systems für einen spezifischen Flüssigkeitskandidaten bereitgestellt, wobei die Methode die Schritte aufweist: Auswählen eines elektrisch zu sprühenden Flüssigkeitskandidaten und Erhalten seiner Oberflächenspannung und seiner relativen Permittivität; Berechnen eines optimalen Öffnungsradius durch Dividieren der Oberflächenspannung der Flüssigkeit durch eine Vakuumpermittivität, eine relative Permittivität der Atmosphäre oder eine relative Permittivität eines Isoliermediums, Multiplizieren des Ergebnisses mit vier und Dividieren des weiteren Ergebnisses durch das Quadrat eines elektrischen Koronagrenzfelds für die Flüssigkeit, wobei das elektrische Koronagrenzfeld durch numerische Methoden erhalten wird, welche die Erstellung einer zweidimensionalen Oberfläche beinhalten, die einen maximalen Öffnungsradius bei dem elektrischen Koronagrenzfeld für die Oberflächenspannung und relative Permittivität des Flüssigkeitskandidaten beschreibt; und Bereitstellen des Elektrospray-Systems mit einem Öffnungsradius, der kleiner oder gleich dem optimalen Öffnungsradius ist.
Ein weiteres Merkmal des zweiten Aspekts der Erfindung sieht für das Verfahren vor, dass es den Schritt des Bereitstellens des Elektrospray-Systems mit einem Trennabstand zwischen der Öffnung und einer Elektrode aufweist, der annähernd das Zehnfache des Öffnungsradius oder größer ist.
Ein noch weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass ein Schub und eine spezifischer Impuls (Isp) des Elektrospray-Systems für den ausgewählten Flüssigkeitskandidaten und den Öffnungsradius bestimmt und optimiert werden, mit dem das System bereitgestellt wurde.
Ein noch weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass der Schub (T) und der spezifische Impuls (Isp) mittels der Gleichungen angenähert werden:
Weitere Merkmale der Erfindung sehen vor, dass die der minimale Volumenstrom (Qmin) empirisch bestimmt wird und dass die elektrische Leitfähigkeit (K) eines Flüssigkeitskandidaten mit dem Schub und spezifischen verknüpft ist gemäß der Gleichung:
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Elektrosprüh-System, aufweisend eine Kammer zum Aufnehmen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, die mit mindestens einer Kapillare verbunden ist, durch die bei Gebrauch die Flüssigkeit gezogen bzw. befördert wird, wobei die Kapillare als eine erste Elektrode wirkt oder eine erste Elektrode beherbergt, um in Kontakt mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit zu sein, mindestens eine Öffnung, die einen Auslass für die Kapillare bildet, eine zweite Elektrode, die von der Öffnung weg (beabstandet) angeordnet ist, und eine elektrische Feldquelle, die eingerichtet ist ein elektrisches Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrode anzulegen, um die Flüssigkeit durch die Öffnung herauszuziehen und ein Elektrospray zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet wird, dass der Öffnungsradius als kleiner oder gleich einem optimalen Öffnungsradius ausgewählt wird, welcher von einer Oberflächenspannung der Flüssigkeit, dividiert durch eine Vakuumpermittivität, eine relative Permittivität der Atmosphäre oder eine relative Permittivität eines Isoliermediums, und das Ergebnis mit vier multipliziert wird, und das weitere Ergebnis durch das Quadrat eines elektrischen Koronagrenzfelds für die Flüssigkeit dividiert wird, bestimmt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung sehen vor, dass die elektrisch leitende Flüssigkeit durch die mindestens eine Kapillare durch die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Öffnung allein, ohne die Notwendigkeit einer Pumpe, gezogen wird.
Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, das eine Pumpe als Teil des Elektrospray-System bereitgestellt wird, wobei die Pumpe in Fluidverbindung mit der Kapillare ist, um eine größere Durchflussrate der Flüssigkeit bereitzustellen, falls und wenn es erforderlich ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass das Elektrospray-System ein elektrostatisches Antriebssystem für ein Raumfahrzeug ist, welches auch als ein Kolloidtriebwerk bezeichnet wird. In dieser Ausführungsform ist die elektrisch leitende Flüssigkeit ein Treibstoff.
Weitere Merkmale der Erfindung sehen vor, dass das elektrostatische Antriebssystem eine Beschleunigerelektrode, die von der Öffnung räumlich getrennt ist, und die zweite Elektrode aufweist, die so angeordnet ist, dass sie Partikel einer Elektrospray-Wolke auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, bevor sie ausgestoßen werden.
Das Vorstehende und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachstehend ausschließlich anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Das hierin beschriebene Elektrospray-System und -Techniken finden in Steuertriebwerksmotoren für Raumfahrzeuge und Satelliten besondere Anwendung, können aber auch in vielen anderen Anwendungen verwendet werden, wie später beschrieben werden wird.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Spitze mit einem leitenden Material beschichtet oder besteht aus diesem, wie z. B. Gold, Platin, Silber, Kupfer oder deren Legierungen. Die Flüssigkeit innerhalb der Kapillare wird in Richtung der Spitze gezogen und dort hindurch ausgestoßen ohne die Notwendigkeit einer Pumpe aufgrund des elektrischen Potenzials, das zwischen der Spitze und der Elektrode anliegt. Die Kapillare kann entweder als eine Anode oder als Kathode wirken und die Spitze der Kapillare neben der Elektrode hat die entgegengesetzte Polarität zu der Kapillare. Abhängig von den Anforderungen des Systems könnte das System auch eine Pumpe aufweisen, um größere Flüssigkeitsdurchflussraten bereitzustellen. Die Spitze hat eine kleine Öffnung mit einem ausgewählten Radius, durch welche die Flüssigkeit abgegeben wird. Der Öffnungsradius eines Elektrospray-Systems kann für einen elektrisch zu sprühenden Flüssigkeitskandidaten optimiert werden, wie später beschrieben werden wird.
Bei elektrostatischen Antriebsanwendungen oder dergleichen versteht der Fachmann, dass die Verwendung von mehr als einem kapillaren Emitter, die parallel verbunden werden, verbesserte Antriebsfähigkeiten bereitstellen wird. Dies ist möglich, vorausgesetzt, dass die kapillaren Emitter auf geeignete Weise räumlich so getrennt werden, dass das elektrische Feld an jeder der einzelnen Öffnungen nicht beeinträchtigt wird. Im Wesentlichen kann eine Anordnung von einzelnen Kapillaren verwendet werden. In solch einer Ausführungsform kann die Konfiguration des Systems und der elektrischen Schaltung optimiert werden, den Energieverbrauch des Systems zu minimieren und/oder die Schubkraft zu maximieren, abhängig von den Anforderungen für eine gegebene Anwendung derselben.
Abhängig von der Form, Größe und Gewicht des flachen Blocks, können die Oberflächenbenetzungseigenschaften des flachen Blocks durch Anwenden einer Antibenetzungsbeschichtung angepasst werden, wie z. B. selbstanordnende Monolagen.
Die Kombination der nichtbenetzenden Eigenschaft des flachen Blocks mit der scharfen Ecke, die in der Oberfläche des Blocks an der Öffnung der Kapillare gebildet ist, verankert die Taylor-Kegelstruktur, aus der Emission erfolgt. Die Dielektrizitätskonstante des Materialblocks muss niedrig sein, sodass das Flüssigkeitströpfchen, das sich an der Öffnung bildet, ein elektrisches Feld in einer ähnlichen Weise erfährt wie ein Tröpfchen, das sich an dem Ende einer scharfen, leitenden Kapillarspitze bildet. Das Tröpfchen auf der Oberfläche des dielektrischen, nichtbenetzbaren flachen Blocks hat dieselbe hyperbolische Punkt-zu-Ebene-Geometrie wie ein Tröpfchen am Ende einer Nadelspitze und deshalb finden dieselben Verfahren für das Bestimmen der Schwellenspannung für die Koronaentladung für diese zweite Ausführungsform eines Elektrospray-Systems Anwendung. In dieser Ausführungsform bezieht sich der Öffnungsradius auf den Radius der Öffnung an der Emissionsstelle in dem flachen Block. Der Öffnungsradius ist annähernd zu dem Krümmungsradius eines Flüssigkeitströpfchens äquivalent, das sich während des Gebrauchs des Elektrospray-Systems an der Öffnung bildet.
Es ist angedacht, dass sich die zweite Ausführungsform der Erfindung durch Mikrofabrikationstechniken, die für die Elektronikbranche und die Branche der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) entwickelt wurden, leichter fertigen lässt im Vergleich zu der arbeitsintensiven Fertigung von Kapillaren mit spezifischen Öffnungsradien. Mikrofabrikation ist eine einfachere Fertigungstechnik für das Herstellen von Anordnungen einer großen Anzahl von einzelnen Emittern für Elektrosprays, die Anwendung als Raumantriebswerke finden könnten, oder für Elektrosprays, die Anwendung in analytischen Techniken finden könnten, die eine Anordnung von Emittern erfordern. Insbesondere erlaubt eine Anordnung, die für Raumfahrtantriebe verwendet wird, Schubvektorsteuerung eines Raumfahrzeugs durch Einstellung der Schubrichtung der einzelnen Emitter. Auf diese Weise könnte die Fluglage oder Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs gesteuert werden.
Der gewählte Öffnungsradius an dem Ende einer Nadelspitze oder der Öffnungsradius einer Perforation in einem dielektrischen, nichtbenetzbaren flachen Block wird teilweise die Spannung bestimmen, die erforderlich ist, um die Oberflächenspannung eines jeweiligen Tröpfchens der Flüssigkeit an der Öffnung zu überwinden, um ein Elektrospray zu bilden. Elektrospray führt zu einem reinen Ionenstrom (I) in einem Elektrospray-System, da die geladenen Tröpfchen in Richtung der zweiten Elektrode wandern, d. h. der Gegenelektrode. Der reine Ionenstrom kann mit der Gleichung 1 berechnet werden:
Die kritische Spannung (Vcrit) und das elektrische Feld (Ecrit), die an der Spitze und der Elektrode angelegt werden, die die Instabilität der Flüssigkeitsoberfläche auslösen und somit zu Elektrosprühen führen, werden jeweils durch die Gleichungen 3a und 3b gegeben:
Je kleiner der Öffnungsradius, desto höher kann im Allgemeinen die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitskandidaten sein, um Elektrospray zu erhalten vor dem Einsetzen der Koronaentladungen bei einem gegebenen elektrischen Feld.
Es ist wichtig, dass eine Spannung gewählt wird, die die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von unerwünschter Koronaentladung verringert, wodurch es möglich wird, dass das System in atmosphärischen oder anderen Bedingungen unter Verwendung von Flüssigkeiten mit einer relativ hohen Oberflächenspannung verwendet werden kann, wie z. B. Flüssigkeiten mit Oberflächenspannungen über 50 mN/m. Verwendung einer niedrigeren Spannung, um Elektrospray zu erhalten, führt auch zu einem viel niedrigeren Gesamtenergieverbrauch.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Überlegungen und in Übereinstimmung mit der Erfindung werden Verfahren bereitgestellt, die die Umsetzung der optimalen Parameter in einem Elektrospray-System erlauben, um eine gewünschte Elektrospray-Partikelgröße zu erhalten und/oder die erforderliche Menge an Schub zu produzieren.
In Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines geeigneten Flüssigkeitskandidaten für ein gegebenes Elektrospray-System bereitgestellt. Erstens wird das Elektrospray-System mit einem ausgewählten Öffnungsradius für eine Öffnung des Elektrospray-Systems bereitgestellt, durch die die elektrisch zu sprühende Flüssigkeit gezogen wird. Anschließend wird eine elektrische Koronagrenzfeldkurve als eine Funktion der relativen Flüssigkeitspermittivität berechnet, um das elektrische Feld zu bestimmen, bei dem die unerwünschte Koronaentladung in Bezug auf verschiedene relative Flüssigkeitspermittivitäten auftreten wird. Danach wird die maximale Oberflächenspannung für den Flüssigkeitskandidaten bestimmt durch Multiplizieren des Öffnungsradius mit einer Vakuumpermittivitätskonstante, einer relativen Permittivität der Atmosphäre oder der relativen Permittivität eines Isolationsmediums, in Abhängigkeit davon, welcher Fall zutrifft, Dividieren durch vier und Multiplizieren mit dem Quadrat des elektrischen Koronagrenzfeldes. Der letzte Schritt beinhaltet Bereitstellen des Systems mit einem gegebenen Flüssigkeitskandidaten, der annähernd die gewählte relative Permittivität hat und eine Oberflächenspannung hat, die gleich oder niedriger als die bestimmte maximale Oberflächenspannung ist, um dadurch einen geeigneten Flüssigkeitskandidaten mit einer geeigneten Oberflächenspannung gemäß den Anwendungsanforderungen bereitzustellen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird auf die Theorie gestützt, dass ein Flüssigkeitskandidat für ein Elektrospray-System ausgewählt werden kann, wenn die geometrischen Parameter des Systems bekannt und festgelegt sind. In solch einem Fall kann das elektrische Koronagrenzfeld (EC) mit Gleichung 4 berechnet werden:
Die Polarisationsfelder von geometrischen Elektrosprüh-Anordnungen können mit Gleichung 5 berechnet werden:
Cloupeau hat ein Approximationsverfahren vorgeschlagen, um die Koronaauslösefelder für solche geometrischen Anordnungen zu berechnen. Diese angepasste Version wurde zuerst von Rousse postuliert. Das elektrische Rousse-Grenzfeld wird durch Gleichung 6 gegeben:
Eine Untersuchung der relativen Permittivität von mehr als eintausend Flüssigkeiten, die als Verteilungsdiagramm in
Durch Verwenden des elektrischen Rousse-Grenzfelds kann für eine gegebene Flüssigkeit das elektrische Feld bestimmen werden, bei dem unerwünschte Koronaentladung auftreten wird für einen ausgewählten Flüssigkeitskandidaten.
Da das elektrische Koronagrenzfeld und der Radius der Öffnung des Elektrospray-Systems bekannt sind, kann die maximale Oberflächenspannung (γC) einer elektrisch zu sprühenden Flüssigkeit analytisch unter Verwendung von Gleichung 7 bestimmt werden:
Es ist zu beachten, dass für den gegebenen Ansatz der Elektrodentrennabstand, welcher der Abstand zwischen dem Öffnungsradius und der Elektrode ist, die davon räumlich getrennt ist, nicht festgelegt wird. Der Elektrodentrennabstand bestimmt die Koronabeginnspannung (VC) aus der Mason-Gleichung, die als Gleichung 8 umgeschrieben wurde:
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Gestaltungsverfahren eines Elektrospray-Systems für einen spezifischen Flüssigkeitskandidaten bereitgestellt. Der erste Schritt des Verfahrens ist Auswählen eines elektrisch zu sprühenden Flüssigkeitskandidaten und Erhalten seiner Oberflächenspannung und relativen Permittivität. Der zweite Schritt ist, einen optimalen Öffnungsradius zu berechnen durch Dividieren der Oberflächenspannung der Flüssigkeit durch eine Vakuumpermittivität, die relative Permittivität der Atmosphäre oder die relative Permittivität eines Isoliermediums, Multiplizieren mit vier und Dividieren durch das Quadrat eines elektrischen Koronagrenzfelds für die Flüssigkeit. In diesem Fall muss, da der Krümmungsradius des Flüssigkeitströpfchens an der Öffnung unbekannt ist, das elektrische Koronagrenzfeld mittels numerischer Methoden ermittelt werden, welche die Erzeugung einer zweidimensionalen Fläche beinhalten, die einen maximalen Öffnungsradius bei dem elektrischen Koronagrenzfeld für die Oberflächenspannung und die relative Permittivität des Flüssigkeitskandidaten beschreibt. Der letzte Schritt weist Bereitstellen des Elektrospray-Systems mit einem Öffnungsradius auf, der kleiner oder gleich dem optimalen Öffnungsradius ist. In dem Fall, dass weitere Eigenschaften der Flüssigkeit bekannt sind, muss es nicht notwendig sein, den maximalen Öffnungsradius von einer zweidimensionalen Oberfläche zu erhalten, wie vorherstehend beschrieben, sondern es kann ein einzelner Wert für den maximalen Radius durch Substitution der relevanten Werte in Gleichungen 4, 6 und 7 ermittelt werden.
Dieses Verfahren wird aus der Theorie abgeleitet, dass es möglich ist, sofern die Oberflächenspannung und die relative Permittivität einer ausgewählten Flüssigkeit bekannt sind, den maximalen Öffnungsradius für ein Elektrospray-System zu bestimmen. Das Elektrospray-System kann daher spezifisch für die Verwendung mit der ausgewählten Flüssigkeit gestaltet werden. Gleichungen 4, 6 und 7 sind für den Öffnungsradius nicht analytisch lösbar, da der Krümmungsradius des Flüssigkeitströpfchens an der Öffnung unbekannt ist und folglich das elektrische Koronagrenzfeld nicht direkt bestimmt werden kann.
Diese Gleichungen können jedoch durch Verwenden von numerischen Methoden gelöst werden. Gleichung 6 wurde numerisch für Krümmungsradien gelöst, die kleiner als 100 μm sind und anschließend wurden Gleichungen 4 und 7 auch numerisch gelöst. Dieselben numerischen Methoden können verwendet werden, um die Gleichungen für Krümmungsradien zu lösen, die größer oder gleich 100 μm sind. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die Koronaentladungsschwelle für einen kleineren Öffnungsradius höher ist, was darauf hinweisen würde, dass sich bei einer höheren Oberflächenspannung der maximale Radius der Öffnung verringern würde. Das Ergebnis der numerischen Lösung der Gleichung 7 ist in
Falls weitere Eigenschaften eines Flüssigkeitskandidaten bekannt sind, für den das Elektrospray-System gestaltet wurde, und für dem Fall, dass das Elektrospray-System als ein elektrostatisches Antriebssystem verwendet wird, können der Schub (T) und spezifische Impuls (Isp) unter Verwendung von Gleichungen 10 und 11 angenähert werden:
Vorausgesetzt, dass der minimale Volumenstrom (Qmin) empirisch unter Verwendung von Gleichung 12 bestimmt werden kann:
Können Gleichungen 10 und 11 für den Schub und den spezifischen Impuls optimiert werden, um die Beziehungen zu erhalten: T ~ K–1/2 und Isp ~ K1/2. Die Gestaltung (Auslegung) des Elektrospray-Systems hinsichtlich der Spannung, die angelegt wird, und des Öffnungsradius kann deshalb weiter optimiert werden, um einen gewünschten Schub und spezifischen Impuls zu erhalten.
Für Anwendungen, bei denen das Elektrospray-System der Erfindung im Weltraum verwendet wird, kann auch eine Beschleunigerelektrode bereitgestellt werden, die von der Spitze räumlich getrennt ist und eingerichtet wird, das Elektrospray auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, bevor es ausgestoßen wird. Fachleute verstehen, dass in der kombinierten Anwendung von zwei Elektrospray-Systemen als Teil eines Kolloidtriebwerks, in dem ein erstes Triebwerk, das einen Sprühnebel von nur positiven oder negativen Ionen produziert, von einem zweiten Triebwerk begleitet wird, das einen elektrostatischen Ionensprühnebel von Ionen mit einer zu der des ersten Triebwerks entgegengesetzten Ladung produziert, beide Öffnungsradien der zwei einzelnen Triebwerke gemäß den Eigenschaften der zwei unterschiedlichen verwendeten Flüssigkeiten ausgewählt werden. Die positiven und negativen Ionen neutralisieren einander, sodass das Raumfahrzeug annähernd elektrisch neutral bleibt, ohne das Erfordernis einer getrennten Elektron-, Positron- oder einer anderen Art von neutralisierender Quelle.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren des Auswählens eines Flüssigkeitskandidaten für ein Elektrospray-System kann eine Anzahl von Flüssigkeitskandidaten identifiziert werden, die als geeignete Flüssigtreibstoffe in einem elektrostatischen Antriebssystem verwendet werden können. Wie ersichtlich ist, können weitere Eigenschaften der Flüssigkeit für die Verwendung als Treibstoff wichtig werden. Somit könnten Treibstoffe, zusätzlich zu der Auswahl eines Treibstoffs basierend auf Oberflächenspannung und relativer Permittivität, aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt werden, Anionen und Kationen hoher Masse zu produzieren, was zu höherem Schub und höheren Wirkungsgraden führt, aufgrund ihres Preises, ihrer Fähigkeit, sich aufzulösen, Ionengröße, hoher Flüssigkeitsdichte, Dampfdruckes, Leitfähigkeit und so weiter.
Ein Elektrospray-System und die hierin beschriebenen Verfahren finden besondere Anwendung bei elektrostatischem Antrieb im Weltraum, können aber in vielen anderen Anwendungen angewendet werden. Die Produktion von sehr feinem Pulver, das in der kosmetischen und pharmazeutischen Industrie verwendet wird, ist beispielsweise eine der Anwendungen von Elektrospray. Die Methoden der Erfindung könnten auch auf medizinische Vernebler angewendet werden, wo kleinere Partikelgrößen zu einer höheren Absorption des aktiven Bestandteils durch den Körper führen. Medizinische Vernebler können spezifisch für Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische gestaltet werden, wenn die Eigenschaften dieser Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische bekannt sind.
Andere Anwendungen für Elektrospray schließen das Elektrospinnen von Nanofasern, die Produktion von feinen Metallpulvern für Komponenten in Paste für dünne leitende Schichten in elektronischen Geräten, die Produktion von photonischen Kristallen und Fasern, Luftreinigung, fortschrittliche Drucktechniken, die Abscheidung von Partikeln für Nanostrukturen, Massenspektrometrie und andere analytische Methoden und dergleichen ein. Die Elektrospray-Systeme mit den vorstehend genannten vielfältigen Verwendungen und den verschiedenen damit verbundenen Flüssigkeiten können alle unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren optimiert werden.
Sofern die Inhalte es nicht anders erfordern, ist in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen das Wart „aufweisen” und Variationen wie beispielsweise „aufweist”, „aufweisend” so zu verstehen, dass sie eine angegebene Einheit (Entität) oder Gruppe von Einheiten einbeziehen, ohne irgendeine andere Einheit oder Gruppe von Einheiten auszuschließen.