¿Por qué los satélites Starlink usarán criptón en lugar de xenón para la propulsión eléctrica?

El dossier de prensa para el lanzamiento y el despliegue del primer Falcon 9 Starlink de los primeros 60 satélites programados para el 15 de mayo de 2019 dice:

Con un diseño de panel plano que presenta múltiples antenas de alto rendimiento y un solo conjunto solar, cada satélite Starlink pesa aproximadamente 227 kg, lo que permite a SpaceX maximizar la producción en masa y aprovechar al máximo las capacidades de lanzamiento de Falcon 9. Para ajustar la posición en órbita, mantener la altitud prevista y salir de órbita, los satélites Starlink cuentan con propulsores Hall alimentados por criptón. (énfasis añadido)

La mayoría de los sistemas de propulsión eléctrica de los que he oído hablar usan xenón. Si bien el criptón más liviano tendría un Isp más alto a un voltaje de aceleración dado, supongo que el xenón tiene un potencial de ionización ligeramente más bajo y, por lo tanto, sería más fácil de ionizar.

La alimentación de CC para electroimanes para confinamiento y la fuente de alimentación de RF para la excitación de plasma pueden dominar el peso de un motor de propulsión de iones (según el diseño y el principio específicos), por lo que para estas naves espaciales esbeltas y de peso pluma habría pensado que iría con el menor potencial de ionización del xenón que presumiblemente puede ionizarse con menor energía de electrones.

Pregunta: ¿Por qué los satélites Starlink de SpaceX utilizarán criptón en lugar de xenón para la propulsión eléctrica?

Respuestas (2)

Es la misma razón por la que SpaceX a menudo hace las cosas de manera diferente: Krypton es mucho más barato.

Los satélites están diseñados para controlar los costos. Por ejemplo, cada uno maniobrará con propulsores de efecto Hall, propulsores de iones en los que un campo eléctrico acelera el propulsor. El combustible convencional para un propulsor de este tipo es el xenón, que ofrece un alto rendimiento. Los satélites Starlink, sin embargo, utilizarán un gas noble diferente: el criptón. Tiene una densidad más baja, por lo que los tanques de combustible del satélite deben ser más grandes y ofrece menos rendimiento que el xenón. Pero el criptón se puede comprar a solo una décima parte del costo del xenón, lo cual es importante si una empresa quiere alimentar miles de satélites.

Precio y tasa de producción

He encontrado cotizaciones de precios muy diferentes para los dos:

Xenon se cotiza a $ 1200/kg, lo que significaría que SpaceX está obteniendo su Krypton por ~ $ 120/kg. La fuente de esa cita de Wikipedia también enumera Krypton, a $ 300 / kg.

Esta respuesta SE también da un precio Xe en esa región.

En Alibaba encontré a alguien que vendía Krypton a $ 2/kg, pero en Alibaba nunca sabes lo que obtienes. Así que he hecho un poco más de excavación.

La diferencia de precio se explica por el método de producción . Un proceso (licuefacción de aire) le da una mezcla de Kr-Xe:

Utilizando técnicas comúnmente aceptadas, la mayoría de estas estaciones producen una mezcla de KrXe que contiene aproximadamente un 93 % de Kr y solo un 7 % de Xe.

Entonces, ~ 10 veces más Kr que Xe, lo que hace que la diferencia de precio sea 10 veces más lógica.

En 1998, la producción de xenón se estimó en 5000-7500 m 3 /año. Según esta respuesta , 1 kg = 170 l, por lo que 5000 m 3 son 29,4 t.

Entonces, hay otra razón para no usar Xe: 10000 satélites con 3 kg de propulsor cada uno requerirían todo el suministro mundial de Xe durante 1 año, lo que aumentaría el precio. Mejor usa algo más abundante.

Esto suena bien.
¿Fuente de que esa sea la motivación?
A quienquiera que haya votado a la baja ayer, sus votos a la baja se revirtieron y volvieron a votar a la baja hoy: ¿le importaría explicar qué tiene de malo mi respuesta?
@Hobbes Recientemente he visto un patrón extraño de votos únicos, silenciosos y desconcertantes. Hay mucho más de ese tipo de cosas en otros sitios de SE, creo que se nota aquí en Space SE solo porque ha sido muy raro.
algunos enlaces en esta respuesta pueden resultarle interesantes

Espero que hicieran los cálculos y descubrieran que el costo total era menor, incluso con una reducción de la eficiencia de empuje/vatios, una vida útil reducida del propulsor y un aumento en el tanque y la masa de la cadena solar. El costo del xenón es enorme y el suministro es muy limitado.

Cuando la NASA construye una nave, tiene que estirar su compra de combustible durante varios años porque simplemente no se produce suficiente cada año para satisfacer una misión larga como DAWN y el puñado de otros usos para Xenon.

SpaceX probablemente no pueda darse el lujo de esperar tanto o gastar tanto. Pueden usar xenón para un satélite de segunda generación de mayor duración y despliegue más lento.

Esta es una respuesta interesante, pero todas las afirmaciones actualmente no están respaldadas . "El costo del xenón es enorme y el suministro es muy limitado" ciertamente podría ser cierto (y dicho del helio también en menor medida) pero necesita una fuente de apoyo, y "Cuando la NASA construye una nave, tiene que estirar su combustible compra durante varios años". es difícil de creer considerando su presupuesto. Así que acabo de preguntar: ¿ Cuánto del xenón del mundo se ha utilizado en vuelos espaciales en total? ¿Es mucho? ¿Costó mucho? y te he citado allí.
La mayor parte de mi información aquí es de primera mano. Sé que la NASA reparte sus compras porque he diseñado propulsores para ellos. No es una cuestión de presupuesto, es que no se produce lo suficiente cada año para satisfacer una misión larga como DAWN y el puñado de otros usos de Xenon. Por lo tanto, tienen que planificar con anticipación y recibir múltiples entregas durante la vida del programa.
¡¡Oh!! Ahora entiendo lo que quieres decir. Entiendo. Sí, esto tiene mucho sentido. En el caso de SpaceX, puede ser tanto una decisión de gestión de la cadena de suministro como una de reducción de costos. Recientemente, en las noticias, escuchamos sobre la desaceleración de la fabricación de automóviles debido a problemas de disponibilidad de chips de computadora, por ejemplo. Al cambiar a Krypton evitan estar atados a un recurso escaso. Hice una pequeña edición para incorporar eso en su respuesta, pero siéntase libre de editar más. ¡Gracias!
La compra estratégica también se requiere en la presupuestación de artículos de largo plazo. Sé de un programa del Departamento de Defensa que se vio obligado a comprar ciertos componentes de artillería para satisfacer una necesidad durante los próximos 50 años (IIRC). ¿Por qué? El proveedor estadounidense de un ingrediente clave cerró hace más de 10 años mucho después de que se diseñara el sistema original. El contratista estadounidense se vio obligado a utilizar un fabricante de productos químicos no estadounidense cuidadosamente seleccionado (con el consentimiento y la supervisión del Departamento de Defensa). Dado que el producto químico se analizó cuidadosamente en lotes, no hubo más problemas de seguridad o calidad. Los materiales clave requieren una planificación que sea un ciclo presupuestario y una prueba de administración.