The theory of electrostatic probes in strong magnetic fields : Thesis submitted to the Faculty of The Graduate School of the University of Colorado for the Degree Doctor of Philosophy Department of Aerospace Engineering Science

A theory is developed of an electrostatic probe in a fully-ionized plasma in the presence of a strong magnetic field. The ratio of electron Larmor radius to probe transverse dimension is assumed to be small. Poisson's equation, together with kinetic equations for ions and electrons are considered. An asymptotic perturbation method of multiple scales is used by considering the characteristic lengths appearing in the problem. The leading behavior of the solution is found. The results obtained appear to apply to weaker fields also, agreeing with the solutions known in the limit of no magnetic field. The range of potentials for wich results are presented is limited. The basic effects produced by the field are a depletion of the plasma near the probe and a non-monotonic potential surrounding the probe. The ion saturation current is not changed but changes appear in both the floating potential Vf and the slope of the current-voltage diagram at Vf. The transition region extends beyond the space potential Vs,at wich point the current is largely reduced. The diagram does not have an exponential form in this region as commonly assumed. There exists saturation in electron collection. The extent to which the plasma is disturbed is determined. A cylindrical probe has no solution because of a logarithmic singularity at infinity. Extensions of the theory are considered.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Magnetic pumping of whistler waves by tether current modulation

Magnetic excitation of whistlers by a square array of electrodynamic tethers is discussed. The array is made of perpendicular rows of tethers that carry equal, uniform, and time-modulated currents at equal frequency with a 90° phase shift. The array would fly vertical in the orbital equatorial plane, which is perpendicular to the geomagnetic field B0 when its tilt is ignored. The array radiates a whistler wave along B0. A parametric instability due to pumping by the background magnetic field through the radiated wave gives rise to two unstable coupled whistler perturbations. The growth rate is maximum for perturbations with wave vector at angles 38.36° and 75.93° from B0. For an experiment involving a wavefront that moves with the orbiting array, which might serve to study nonlinear wave interactions and turbulence in space plasmas, characteristic values of growth rate and parameters, such as the number of tethers and their dimensions and distances in the array, are discussed for low Earth orbit ambient conditions.

Mechanical behavior of 2G REBCO HTS at 77 and 300 K

El gran esfuerzo realizado durante la última década con el fin de integrar los diferentes materiales superconductores en el campo de los sistemas eléctricos y en otras aplicaciones tecnológicas ha dado lugar a un campo de investigación amplio y prometedor. El comportamiento eléctrico de los Superconductores de Alta Temperatura (SAT) crítica (masivo y cintas) depende de diferentes parámetros desde su fabricación hasta la aplicación final con imanes o cables. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de estos materiales están fuertemente vinculadas con su comportamiento mecánico tanto a temperatura ambiente (manipulación durante fabricación o instalación) como a temperaturas criogénicas (condiciones de servicio). En esta tesis se ha estudiado el comportamiento mecánico de materiales masivos y cintas de alta temperatura crítica a 300 y 77 K (utilizando nitrógeno líquido). Se han obtenido la resistencia en flexión, la tenacidad de fractura y la resistencia a tracción a la temperatura de servicio y a 300 K. Adicionalmente, se ha medido la dureza mediante el ensayo Vickers y nanoindentación. El módulo Young se midió mediante tres métodos diferentes: 1) nanoindentación, 2) ensayos de flexión en tres puntos y 3) resonancia vibracional mediante grindosonic. Para cada condición de ensayo, se han analizado detalladamente las superficies de fractura y los micromecanismos de fallo. Las propiedades mecánicas de los materiales se han comparado con el fin de entender la influencia de las técnicas de procesado y de las características microestructurales de los monocristales en su comportamiento mecánico. Se ha estudiado el comportamiento electromecánico de cintas comerciales superconductoras de YBCO mediante ensayos de tracción y fatiga a 77 y 300 K. El campo completo de deformaciones en la superficie del material se ha obtenido utilizando Correlación Digital de Imágenes (DIC, por sus siglas en inglés) a 300 K. Además, se realizaron ensayos de fragmentación in situ dentro de un microscopio electrónico con el fin de estudiar la fractura de la capa superconductora y determinar la resistencia a cortante de la intercara entre el substrato y la capa cerámica. Se ha conseguido ver el proceso de la fragmentación aplicando tensión axial y finalmente, se han implementado simulaciones mediante elementos finitos para reproducir la delaminación y el fenómeno de la fragmentación. Por último, se han preparado uniones soldadas entre las capas de cobre de dos cintas superconductoras. Se ha medido la resistencia eléctrica de las uniones con el fin de evaluar el metal de soldadura y el proceso. Asimismo, se ha llevado a cabo la caracterización mecánica de las uniones mediante ensayos "single lap shear" a 300 y 77 K. El efecto del campo magnético se ha estudiado aplicando campo externo hasta 1 T perpendicular o paralelo a la cinta-unión a la temperatura de servicio (77 K). Finalmente, la distribución de tensiones en cada una de las capas de la cinta se estudió mediante simulaciones de elementos finitos, teniendo en cuenta las capas de la cinta mecánicamente más representativas (Cu-Hastelloy-Cu) que influyen en su comportamiento mecánico. The strong effort that has been made in the last years to integrate the different superconducting materials in the field of electrical power systems and other technological applications led to a wide and promising research field. The electrical behavior of High Temperature Superconducting (HTS) materials (bulk and coated conductors) depends on different parameters since their processing until their final application as magnets or cables. However, practical applications of such materials are strongly related with their mechanical performance at room temperature (handling) as well as at cryogenic temperatures (service conditions). In this thesis, the mechanical behavior of HTS bulk and coated conductors was investigated at 300 and 77 K (by immersion in liquid nitrogen). The flexural strength, the fracture toughness and the tensile strength were obtained at service temperature as well as at 300 K. Furthermore, their hardness was determined by Vickers measurements and nanoindentation and the Young's modulus was measured by three different techniques: 1) nanoindentation, 2) three-point bending tests and 3) vibrational resonance with a grindosonic device. The fracture and deformation micromechanics have been also carefully analyzed for each testing condition. The comparison between the studied materials has been performed in order to understand the influence of the main sintering methods and the microstructural characteristics of the single grains on the macroscopic mechanical behavior. The electromechanical behavior of commercial YBCO coated conductors was studied. The mechanical behavior of the tapes was studied under tensile and fatigue tests at 77 and 300 K. The complete strain field on the surface of the sample was obtained by applying Digital Image Correlation (DIC) at 300 K. Addionally, in situ fragmentation tests inside a Scanning Electron Microscope (SEM) were carried out in order to study the fragmentation of the superconducting layer and determine the interfacial shear strength between substrate and ceramic layer. The fragmentation process upon loading of the YBCO layer has been observed and finally, Finite Element Simulations were employed to reproduce delamination and fragmentation phenomena. Finally, joints between the stabilizing Cu sides of two coated conductors have been prepared. The electrical resistivity of the joints was measured for the purpose of qualifying the soldering material and evaluating the soldering process. Additionally, mechanical characterization under single lap shear tests at 300 and 77 K has been carried out. The effect of the applied magnetic field has been studied by applying external magnetic field up to 1 T perpendicular and parallel to the tape-joint at service temperature (77 K). Finally, finite element simulations were employed to study the distribution of the stresses in earch layer, taking into account the three mechanically relevant layers of the coated conductor (Cu-Hastelloy-Cu) that affect its mechanical behavior

Passenger Exposure to Magnetic Fields due to the Batteries of an Electric Vehicle

In electric vehicles, passengers sit very close to an electric system of significant power. The high currents achieved in these vehicles mean that the passengers could be exposed to significant magnetic fields. One of the electric devices present in the power train are the batteries. In this paper, a methodology to evaluate the magnetic field created by these batteries is presented. First, the magnetic field generated by a single battery is analyzed using finite elements simulations. Results are compared to laboratory measurements, taken from a real battery, in order to validate the model. After this, the magnetic field created by a complete battery pack is estimated and results are discussed.