World’s first demonstration of an iodine electric propulsion system in space

Posted on 18 November, 2021

ThrustMe has successfully tested an iodine-fuelled electric propulsion system in space and results of this historic demonstration have been published today in one of the leading scientific journals, Nature. These results confirm for the first time that iodine is not only a viable alternative to conventional xenon propellant, but that it also enables extreme propulsion system miniaturization. This provides small satellites with new maneuvering and space exploration potential, and critical new collision avoidance and deorbiting capabilities that will prove vital for the long-term sustainability of the space industry.

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Propulsion is an important subsystem needed by many satellites to perform maneuvers in space and ensure mission success. Electric propulsion systems, such as ion thrusters, are a particularly attractive choice because of their very high fuel efficiency. Since satellites have limited power generation capability however, electric propulsion systems typically use a propellant that maximises their thrust-to-power ratio. Currently, the propellant of choice is almost exclusively the noble gas xenon (and to a lesser extent krypton).

Xenon however is rare (less than 1 part per 10 million in the atmosphere), expensive (around $3000/kg), and commercial production limited. Xenon is also used in competing applications in other sectors such as the medical, lighting, and semiconductor industries. Market projections estimate that more than 24 000 satellites could be launched within the next 10 years and most of them will require electric propulsion. Increasing space industry demand alone is expected to outpace supply in the coming years, and it is therefore critical that a viable replacement propellant be found. Iodine has been investigated as a possible game-changing alternative propellant within the space community by a number of universities, companies, and space agencies over the last 20 years, but no iodine propulsion system has previously been launched or tested in space.

“ThrustMe is pioneering the use of iodine within the space industry” says Dmytro Rafalskyi, CTO and co-founder of ThrustMe. “Iodine is significantly more abundant and cheaper than xenon, and has the added advantage that it can be stored unpressurized as a solid”. Xenon by comparison must be stored under high-pressure (typically 100-200x atmospheric pressure). Iodine also has a storage density almost 3x higher than xenon (and 9x higher than krypton). This enables significant simplification and miniaturization of propulsion systems. “ThrustMe has developed a revolutionary propulsion system with an iodine ion thruster, the NPT30-I2, which includes all needed subsystems and fits within a single package of roughly 10 cm x 10 cm x 10 cm” says Dmytro. Comparison with xenon shows that iodine gives an almost 50% performance enhancement.

After extensive testing and qualification, the first NPT30-I2 was integrated into the Beihangkongshi-1 satellite operated by Spacety and launched into space by a Long March 6 rocket on the 6 November 2020. Since then ThrustMe has been carefully analysing propulsion system and satellite data and comparing in-flight results with ground-based measurements. Results confirm successful operation with expected performance, and definite satellite orbital changes matching predictions based on propulsion system telemetry. 

ThrustMe’s in-orbit demonstration is a world-first and results have now been rigorously peer-reviewed and published in one of the leading scientific journals, Nature. “Publication of these historic results is not only important for ThrustMe, but also for the space industry in general” says Ane Aanesland CEO and co-founder of ThrustMe. “Many new companies have entered the market in recent years but demonstrated evidence of flight heritage and performance transparency are missing. Having our results peer-reviewed and publically accessible provides the community with further confidence and helps to create a benchmark within the industry”.

Publication in a prominent journal like Nature highlights the evolving needs and challenges currently facing the space industry. The capability of modern electronics, and easier access to space, has resulted in a shift towards small satellites and new space-based applications for Earth observation, disaster management, climate change monitoring, urban planning, and global internet access. Until recently, suitable propulsion systems were not always available for small satellites due to their strict size constraints. Iodine however, allows significant miniaturization and gives unprecedented new maneuvering capabilities to such satellites. This capability extends beyond missions around the Earth, and high-performance miniaturized propulsion systems will prove instrumental in the coming decade as humanity returns to the Moon and expands further into space. 

“The successful demonstration of the NPT30-I2 means we can proceed to the next step in the development of iodine propulsion. In parallel with our in-space testing we have developed new solutions allowing increased performance and have commenced an extensive ground-based endurance testing campaign to further push the limits of this new technology” says Dmytro.  


About ThrustMe:
ThrustMe offers true turnkey, smart and streamlined in-orbit propulsion solutions, critical for the growing space industry facing new challenges due to the rise of satellite constellations. As experts in in-space propulsion, alternative space propellants, and satellite orbital maneuvering strategies, ThrustMe enables a future where space is used sustainably to create value both on Earth, and beyond. Founded in 2017 with a headquarters just south of Paris, France, ThrustMe has a complete portfolio of game-changing propulsion products that have been tested in space and delivered to customers worldwide.
 

Nature paper can be accessed here
 




Première démonstration mondiale d'un système de propulsion électrique à l'iode dans l'espace

ThrustMe a testé avec succès dans l'espace un système de propulsion électrique à iode. Les résultats de cette démonstration historique ont été publiés aujourd'hui dans l'une des principales revues scientifiques, Nature. Ces résultats confirment pour la première fois que l'iode est non seulement une alternative viable au propergol conventionnel xénon, mais qu'il permet également une miniaturisation extrême du système de propulsion. Les satellites disposent ainsi d'un nouveau potentiel de manœuvre et d'exploration spatiale, et de nouvelles capacités critiques d'évitement des collisions et de désorbitation qui s'avéreront vitales pour la durabilité à long terme de l'industrie spatiale.

La propulsion est un sous-système important de nombreux satellites pour effectuer des manœuvres dans l'espace et assurer le succès de leur mission. Les systèmes de propulsion électrique, tels que les propulseurs ioniques, constituent un choix particulièrement intéressant en raison de leur très haut rendement énergétique. Toutefois, comme les satellites ont une capacité de production d'énergie limitée, les systèmes de propulsion électrique utilisent généralement un propulseur qui maximise leur rapport poussée/puissance. Actuellement, le propergol de choix est presque exclusivement le gaz noble xénon (et dans une moindre mesure le krypton).

Le xénon est toutefois rare (moins d'une partie par 10 millions dans l'atmosphère), coûteux (environ 3000 $/kg) et sa production commerciale est limitée. Le xénon est également utilisé dans des applications concurrentes dans d'autres secteurs tels que la médecine, l'éclairage et les semi-conducteurs. Les projections du marché estiment que plus de 24 000 satellites pourraient être lancés au cours des 10 prochaines années et que la plupart d'entre eux nécessiteront une propulsion électrique. La demande croissante de l'industrie spatiale devrait dépasser l'offre dans les années à venir, et il est donc essentiel de trouver un propergol de remplacement viable. Au cours des 20 dernières années, l'iode a été étudié par un certain nombre d'universités, d'entreprises et d'agences spatiales en tant qu'agent propulsif alternatif susceptible de changer la donne au sein de la communauté spatiale, mais aucun système de propulsion à l'iode n'a été lancé ou testé dans l'espace.

"ThrustMe est le pionnier de l'utilisation de l'iode dans l'industrie spatiale", déclare Dmytro Rafalskyi, directeur technique et cofondateur de ThrustMe. "L'iode est significativement plus abondant et moins cher que le xénon, et présente l'avantage supplémentaire de pouvoir être stocké sans pression sous forme solide". En comparaison, le xénon doit être stocké sous haute pression (généralement 100 à 200 fois la pression atmosphérique). L'iode a également une densité de stockage presque trois fois supérieure à celle du xénon (et neuf fois supérieure à celle du krypton). Cela permet de simplifier et de miniaturiser considérablement les systèmes de propulsion. "ThrustMe a mis au point un système de propulsion révolutionnaire avec un propulseur ionique à iode, le NPT30-I2, qui comprend tous les sous-systèmes nécessaires et tient dans un seul boîtier d'environ 10 cm x 10 cm x 10 cm", explique Dmytro. La comparaison avec le xénon montre que l'iode améliore les performances de près de 50 %.

Après des essais et de la qualification, le premier NPT30-I2 a été intégré au satellite Beihangkongshi-1 exploité par Spacety et lancé dans l'espace par une fusée Longue Marche 6 le 6 novembre 2020. Depuis lors, ThrustMe a soigneusement analysé les données du système de propulsion et du satellite et comparé les résultats en vol avec les mesures au sol. Les résultats confirment un fonctionnement réussi avec les performances attendues, et des changements orbitaux définitifs du satellite correspondant aux prédictions basées sur la télémétrie du système de propulsion.

La démonstration en orbite de ThrustMe est une première mondiale et les résultats ont maintenant été rigoureusement examinés par des pairs et publiés dans l'une des principales revues scientifiques, Nature. "La publication de ces résultats historiques n'est pas seulement importante pour ThrustMe, mais aussi pour l'industrie spatiale en général", déclare Ane Aanesland, PDG et cofondatrice de ThrustMe. "De nombreuses nouvelles entreprises sont entrées sur le marché ces dernières années, mais il manque des preuves tangibles de l'héritage de vol et de la transparence des performances. Le fait que nos résultats soient examinés par des pairs et accessibles au public renforce la confiance de la communauté et contribue à créer une référence au sein de l'industrie".

La publication dans une revue de renom comme Nature met en évidence l'évolution des besoins et des défis auxquels est actuellement confrontée l'industrie spatiale. La capacité de l'électronique moderne et l'accès plus facile à l'espace ont entraîné une évolution vers les petits satellites et de nouvelles applications spatiales pour l'observation de la Terre, la gestion des catastrophes, la surveillance du changement climatique, la planification urbaine et l'accès à l'internet au niveau mondial. Jusqu'à récemment, des systèmes de propulsion adaptés n'étaient pas toujours disponibles pour les petits satellites en raison de leurs strictes contraintes de taille. L'iode permet toutefois une miniaturisation importante et donne de nouvelles capacités de manœuvre sans précédent à ces satellites. Cette capacité s'étend au-delà des missions autour de la Terre, et les systèmes de propulsion miniaturisés à haute performance s'avéreront déterminants au cours de la prochaine décennie, lorsque l'humanité retournera sur la Lune et s'étendra davantage dans l'espace.

"La démonstration réussie du NPT30-I2 signifie que nous pouvons passer à l'étape suivante du développement de la propulsion à l'iode. Parallèlement à nos essais dans l'espace, nous avons mis au point de nouvelles solutions permettant d'augmenter les performances et nous avons établi une vaste campagne d'essais d'endurance au sol afin de repousser les limites de cette nouvelle technologie", explique Dmytro. 


À propos de ThrustMe:
ThrustMe offre des systèmes de propulsion clés en main, intelligents, faciles à utiliser et intégrer, essentiels pour l'industrie spatiale en pleine croissance, confrontée à de nouveaux défis dus à l'augmentation des constellations de satellites. En tant qu'experts de la propulsion spatiale, des propergols spatiaux alternatifs et des stratégies de manœuvre orbitale des satellites, ThrustMe permet un avenir où l'espace est utilisé de manière durable pour créer de la valeur à la fois sur Terre, et au-delà. Fondée en 2017 avec un siège social juste au sud de Paris en France, ThrustMe dispose d'un portefeuille complet de produits de propulsion innovants qui ont été testés dans l'espace et ont déjà été livrés à des clients du monde entier.

L'article de Nature peut être consulté ici