ThrustMe successfully tests the first iodine electric propulsion system in space

Posted on 18 January, 2021

The space industry seeks new solutions to ensure economic and environmental space sustainability with the rise of satellite mega-constellations. A solution lies in the use of in-orbit propulsion, but traditional systems are not fit for the New Space paradigm. Today, ThrustMe announces that they have successfully tested the first iodine-fuelled electric propulsion system in space aboard the Spacety Beihangkongshi-1 satellite. This world first in-orbit demonstration has the potential to transform the space industry.

French version here

ane.aanesland@thrustme.fr
ThrustMe : +33 6 31 90 65 50

 

On 28 December 2020, the first iodine electric propulsion system to be launched into space was successfully fired, with a second successful test on 2 January 2021. Both test burns were performed by ThrustMe’s NPT30-I2-1U propulsion system onboard the Beihangkongshi -1 satellite from Spacety. The satellite was launched on 6 November 2020, and after several weeks of satellite commissioning, the propulsion system was operated during two 90-minute burns resulting in a total altitude change of 700 m. These tests represent the first in-space operation of the NPT30-I2-1U, and the first demonstration of iodine as a viable propellant for electric propulsion systems: an important step in accelerating its commercial adoption.

The use of iodine as a propellant is a breakthrough for the satellite industry. It allows propulsion systems to be delivered completely prefilled to customers, and for the satellite integration process to be significantly simplified and streamlined. Therefore, iodine offers the potential to provide both economic, and environmental sustainability for the space industry. Indeed, most conventional electric propulsion systems make use of xenon or krypton which are expensive, rare, and must be stored under very high pressure. Furthermore, satellite assembly, integration and testing can be more complicated since specialized equipment and trained personnel are required to safely load fuel tanks with such propellants. Iodine by contrast can be stored as a solid at room temperature, is much cheaper, more abundant, and completely unpressurized. 

“In 2008, we identified iodine as an ideal propellant for electric propulsion. Since then, we have developed a number of key technologies to be able to offer, as of today, a complete, standalone, propulsion system to meet current and emerging market needs. This is an important product for our customers as it allows them to deploy their satellite constellations, and to take corrective actions to mitigate collision or debris risks”, says Ane Aanesland, CEO of ThrustMe. 

“It has been a long road to bring this product from dream to reality. To make it happen we had to innovate, develop a complex system from the ground up, and perform fundamental research studies since many properties of iodine are missing in scientific databases. I am happy that we have ended up with a very high performance, safe and reliable propulsion system that is now available for any SmallSat”, says Dmytro Rafalskyi, CTO of ThrustMe.

In 2020, the European Space Agency (ESA), supported the development of ThrustMe’s NPT30-I2-1U propulsion system through the ARTES C&G programme (funded by France) for innovative technologies for the satcom industry. In addition to the in-orbit-demonstration, the NPT30-I2-1U is being prepared for the Geostationary (GEO) satellite market and a separate unit is currently undergoing extensive radiation testing, which ThrustMe says is going as planned. “The successful launch and the first firings are significant milestones in the development of ThrustMe’s iodine electric propulsion system.  We are pleased to support ThrustMe in the development and demonstration of this propulsion module through the ARTES C&G programme”, says Barnaby Osborne, Small Satellite Technology Coordinator, ESA Telecommunications and Integrated Applications.

The development of ThrustMe’s NPT30-I2-1U was also supported by the French National Space Agency (CNES) via a project as part of their R&T program. “We are very happy to have supported the in-orbit demonstration of ThrustMe’s iodine electric propulsion system and are very pleased to have helped a French company achieve such a historic milestone.”, says Thomas Liénart, Head of the Propulsion, Pyrotechnics and Aerothermodynamics office at CNES.

ThrustMe’s prior research and development of iodine technology has been supported by the French state via SATT Paris-Saclay and various BPIFrance funded programs. The industrialization of ThrustMe’s NPT30-I2 product portfolio has been supported by the European Commission via the H2020 SMI Instrument phase II program under a project called EMBRACE.


About ThrustMe:
ThrustMe is a deep-tech space propulsion company, based in the Paris-region, France. It leverages more than 10 years of applied and fundamental research at Ecole Polytechnique and the French National Centre for Scientific Research (CNRS). ThrustMe offers a portfolio of turnkey propulsion systems that have been tested in space and are available for a wide range of satellites and space missions. Its unique products make use of breakthrough innovations, such as solid iodine propellant, to streamline delivery and integration with client satellites, and to enable future economic and environmental sustainability of the space industry.

About the NPT30-I2:
The NPT30-I2-1U is a complete, standalone, propulsion system that includes all subsystems necessary for its operation such as the power processing unit, an intelligent operation controller, and iodine propellant storage and management. It has a 1-Unit CubeSat form factor, and is prefilled with solid, unpressurized, iodine propellant. The NPT30-I2-1U is the first iodine-fuelled electric propulsion system to be launched into space, and can provide a total impulse of 5500 Ns at a maximum thrust of 1.1 mN and with a specific impulse up to 2450s. Extreme miniaturization of the system is achieved through several innovations that include pipe-less propellant delivery, custom RF generation technology, a dedicated plasma ignition system, and integrated thermal management. A high level of robustness and safety is achieved through the implementation of built-in self-test and self-tuning algorithms, and several layers of security checks.

Technical Details:
The Beihangkongshi-1 satellite was launched on 6 November 2020, carrying the world’s first iodine electric propulsion system on board. During November and most of December, on-orbit commissioning of the satellite occurred, and finally two test firings of the propulsion system were carried out on 28 December 2020 and 2 January 2021.

These successful firings of ThrustMe’s NPT30-I2-1U mark the first ever propulsive maneuvers performed in space by an iodine-fuelled electric thruster. The satellite orbital maneuvers were tracked using an onboard GPS receiver, and later confirmed by NORAD Two-Line Element (TLE) data. The net altitude change of the Beihangkongshi-1 satellite after both test firings was about 700 m, with each 90-minute burn resulting in a change of between 300-400 m: values that agree closely with predictions based on the thruster performance. 

The propulsion system telemetry downloaded after the test firings show correct system operation with all parameters within their specified margins. The main goal of these initial tests was to check that the system is ready for the subsequent main firing campaign, which will consist of several tens of 90-minute, 0.8 mN thrust,  burns to achieve an accumulated altitude change of more than 20 km.


The pictures below show:
- A part of the thruster telemetry obtained during the firing tests in space showing both the thrust and input power as a function of time. The thrust has been nominally set to 0.8 mN. 
- The altitude change during one of the firing maneuvers as observed using the GPS receiver on board the satellite.

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A fire in a dark room

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ThrustMe’s NPT30-I2 propulsion system firing during tests in a space simulation chamber

A group of people posing for a photo

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ThrustMe’s team

 

 

 



ThrustMe teste avec succès le premier système de propulsion électrique à l'iode dans l'espace 

L'industrie spatiale cherche de nouvelles solutions pour assurer la durabilité économique et environnementale de l'espace, avec l'essor des méga-constellations de satellites. Une solution réside dans l'utilisation de la propulsion en orbite, mais les systèmes traditionnels ne sont pas adaptés au paradigme du New Space. Aujourd'hui, ThrustMe annonce avoir testé avec succès dans l'espace le premier système de propulsion électrique alimenté à l'iode, à bord du satellite Beihangkongshi-1 de Spacety. Cette démonstration en orbite, la première au monde, a le potentiel de transformer l'industrie spatiale.

 

Le 28 décembre 2020, le premier système de propulsion électrique à l'iode lancé dans l'espace a été mis à feu avec succès, et un second test a également été effectué avec succès le 2 janvier 2021. Les deux essais ont été réalisés par le système NPT30-I2-1U de ThrustMe à bord du satellite Beihangkongshi-1 de Spacety. Le satellite a été lancé le 6 novembre 2020, et après plusieurs semaines de mise en service, le système de propulsion a fonctionné pendant deux mises à feu de 90 minutes, ce qui a entraîné un changement d'altitude total de 700 m. Ces essais représentent la première opération du NPT30-I2-1U dans l'espace, et la première démonstration de l'iode comme propergol viable pour les systèmes de propulsion électrique : une étape importante pour accélérer son adoption commerciale. 

L'utilisation de l'iode comme propergol est une avancée importante pour l'industrie des satellites. Elle permet de livrer aux clients des systèmes de propulsion pré-remplis et de simplifier considérablement le processus d'intégration du propulseur dans les satellites. L'iode offre donc la possibilité d'assurer la durabilité économique et environnementale de l'industrie spatiale. La plupart des systèmes de propulsion électrique conventionnels utilisent en effet le xénon ou le krypton, qui sont chers, rares et doivent être stockés sous très haute pression. En outre, l'assemblage, l'intégration et les essais des satellites peuvent être plus compliqués car il faut du matériel spécialisé et du personnel formé pour remplir en toute sécurité les réservoirs avec ces propergols. L'iode, en revanche, peut être stocké sous forme solide à température ambiante, est beaucoup moins cher, plus abondant et non pressurisé.  

"En 2008, nous avons identifié l'iode comme un propergol idéal pour la propulsion électrique. Depuis lors, nous avons développé un certain nombre de technologies clés pour pouvoir offrir, dès aujourd'hui, un système de propulsion complet et autonome répondant aux besoins actuels et émergents du marché. C'est un produit important pour nos clients car il leur permet de déployer leurs constellations de satellites et de prendre des mesures correctives pour atténuer les risques de collision ou de débris", déclare Ane Aanesland, PDG de ThrustMe.

"La route a été longue pour faire passer ce produit du rêve à la réalité. Pour y parvenir, nous avons dû innover, développer un système complexe à partir de zéro et effectuer des études de recherche fondamentale, car de nombreuses propriétés de l'iode sont absentes des bases de données scientifiques. Je suis heureux que nous ayons abouti à un système de propulsion très performant, sûr et fiable qui est maintenant disponible pour tout SmallSat", explique Dmytro Rafalskyi, directeur technique de ThrustMe.

En 2020, l'Agence spatiale européenne (ESA) a soutenu le développement du système de propulsion NPT30-I2-1U de ThrustMe via le programme ARTES C&G (financé par la France) pour les technologies innovantes destinées à l'industrie des communications par satellite. En plus de la démonstration en orbite, le NPT30-I2-1U est en cours de préparation pour le marché des satellites géostationnaires (GEO) et une unité séparée est actuellement soumise à des tests de radiation approfondis, qui se déroulent comme prévu selon ThrustMe. "Le lancement réussi et les premières mises à feu sont des étapes importantes dans le développement du système de propulsion électrique à l'iode de ThrustMe.  Nous sommes heureux de soutenir ThrustMe dans le développement et la démonstration de ce module de propulsion dans le cadre du programme ARTES C&G", annonce Barnaby Osborne, coordinateur de la technologie des petits satellites, télécommunications et applications intégrées de l'ESA.

Le développement du NPT30-I2-1U de ThrustMe a également été soutenu par l'Agence spatiale nationale française (CNES) via un projet dans le cadre de leur programme de R&T. "Nous sommes très heureux d'avoir soutenu la démonstration en orbite du système de propulsion électrique à l'iode de ThrustMe, et d'avoir aidé une entreprise française à franchir une étape aussi historique", conclut Thomas Liénart, chef du bureau Propulsion, Pyrotechnie et Aérothermodynamique du CNES.

 

À propos de ThrustMe:
ThrustMe est une société de propulsion spatiale de haute technologie, basée en région parisienne, en France. Elle s'appuie sur plus de 10 ans de recherche appliquée et fondamentale à l'École Polytechnique et au Centre national de la recherche scientifique (CNRS). ThrustMe propose un portefeuille de systèmes de propulsion clés en main qui ont été testés dans l'espace et sont disponibles pour une large gamme de satellites et de missions spatiales. Ses produits uniques font appel à des innovations révolutionnaires, telles que le propergol à iode solide, pour simplifier la livraison et l'intégration avec les satellites des clients, et pour permettre la durabilité économique et environnementale future de l'industrie spatiale.

À propos du NPT30-I2:
Le NPT30-I2-1U est un système de propulsion complet et autonome qui comprend tous les sous-systèmes nécessaires à son fonctionnement, tels que l'unité de traitement de l'énergie, un contrôleur d'exploitation intelligent, ainsi que le stockage et la gestion du propergol à l'iode. Il a un facteur de forme CubeSat de 1 unité et est pré-rempli d'un propergol solide à l'iode, non pressurisé. Le NPT30-I2-1U est le premier système de propulsion électrique à l'iode lancé dans l'espace, et peut fournir une impulsion totale de 5500 Ns à une poussée maximale de 1,1 mN et avec une impulsion spécifique allant jusqu'à 2450s. L'extrême miniaturisation du système est réalisée grâce à plusieurs innovations qui comprennent l'alimentation en propergol sans conduite, une technologie de génération RF personnalisée, un système d'allumage de plasma dédié et une gestion thermique intégrée. Un niveau élevé de robustesse et de sécurité est atteint grâce à la mise en œuvre d'algorithmes d'autotest et d'autoréglage intégrés, et à plusieurs niveaux de contrôle de sécurité.

Détails Techniques:
Le satellite Beihangkongshi-1 a été lancé le 6 novembre 2020, avec à son bord le premier système de propulsion électrique à l'iode du monde. Pendant le mois de novembre et la majeure partie du mois de décembre, le satellite a été mis en service en orbite, et enfin deux tirs d'essai du système de propulsion ont été effectués le 28 décembre 2020 et le 2 janvier 2021.

Ces tirs réussis du NPT30-I2-1U de ThrustMe marquent les premières manœuvres de propulsion jamais effectuées dans l'espace par un propulseur électrique à l'iode. Les manœuvres orbitales du satellite ont été suivies à l'aide d'un récepteur GPS embarqué, puis confirmées par les données TLE (Two-Line Element) du NORAD. Le changement d'altitude du satellite Beihangkongshi-1 après les deux tirs d'essai était d'environ 700 m, chaque mise à feu de 90 minutes entraînant un changement de 300 à 400 m : des valeurs qui correspondent étroitement aux prévisions basées sur les performances du propulseur.

La télémétrie du système de propulsion téléchargée après les essais de mise à feu montre un fonctionnement correct du système avec tous les paramètres dans les marges spécifiées. L'objectif principal de ces premiers essais était de vérifier que le système est prêt pour la campagne de tirs principale suivante, qui consistera en plusieurs dizaines de mises à feu de 90 minutes, avec une poussée de 0,8 mN, pour obtenir un changement d'altitude cumulé de plus de 20 km.

Les photos ci-dessous montrent :
- Une partie de la télémétrie du propulseur obtenue lors des essais de tir dans l'espace montrant à la fois la poussée et la puissance d'entrée en fonction du temps. La poussée a été fixée nominalement à 0,8 mN. 
- Le changement d'altitude pendant une des manœuvres de tir tel qu'observé à l'aide du récepteur GPS à bord du satellite. 

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ThrustMe’s NPT30-I2 propulsion system firing during tests in a space simulation chamber

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ThrustMe’s team