Gør satellitter sikrere:søgen efter nye drivmidler

Udvikling af nye drivmidler til satellitter til erstatning for giftig hydrazin ville gøre opsendelse og håndtering af satellitter sikrere, men det kræver også at afbryde nuværende systemer, ifølge forskere.

Efterhånden som antallet af satellitter stiger, det samme vil mængden af ​​brændstof, vi bruger til at lancere dem. Og at komme i kredsløb er kun halvdelen af ​​ligningen. Når en satellit er i position over Jorden, har den brug for en fremdriftsmetode for at sikre, at den kan bevæge sig, hvis det er nødvendigt, undgå rumaffald, kompensere for luftmodstand over tid, og endda de-kredser sig selv i slutningen af ​​sin mission.

Det nuværende standard drivmiddel til satellitter er hydrazinbaseret brændstof, som er meget giftig. Udsættelse for høje niveauer af hydrazin kan forårsage en lang række sundhedsproblemer, herunder skader på leveren, nyrer og centralnervesystemet. Hvis hydrazin spildes, mens en satellit stadig er på jorden, dens voldelige og eksplosive karakter kan blive et offentligt sikkerhedsproblem.

At forberede en hydrazindrevet satellit til rummet er en farlig opgave, der kræver særlige forholdsregler for alle involverede, inklusive rumdragtslignende tøj, der sikrer, hvis noget skulle gå galt, de mennesker, der håndterede brændstoffet, ville ikke selv indånde gassen. "De ligner lidt en Michelin-mand, " sagde Dr. Norbert Frischauf, en partner hos rumkonsulentfirmaet SpaceTec Partners i Belgien.

Så det er ingen overraskelse, at ingeniører leder efter nye, renere måder at opsende og fremdrive satellitter, der i stedet bruger ikke-giftige brændstoffer. "Hydrazin er ret ubehageligt at arbejde med ud fra et sundheds- og sikkerhedsperspektiv, så vi ser meget mere interesse for den slags drivmidler, sagde Erikas Kneižys, Chief Design Officer hos NanoAvionics, en producent af rumfartøjsudstyr baseret i Europa og USA.

I 2011 Det Europæiske Kemikalieagentur føjede hydrazin til sin liste over "meget problematiske stoffer" hvilket betyder, at dens brug snart kan blive begrænset.

CubeSats

NanoAvionics har specialiseret sig i teknologi til nanosatellitter, inklusive CubeSats, som er miniaturesatellitter lavet af 10 cm kubeformede enheder, typisk bygget ved hjælp af hyldekomponenter og vejer omkring 1 kg hver. Efterhånden som mindre satellitter som disse bliver mere almindelige - NanoAvionics siger, at der har været en stigning på 300 % i små satellitlanceringer mellem 2016 og 2020 - vil efterspørgslen efter rene drivmidler, der passer til dem, sandsynligvis stige.

"Der var dybest set ingen produkter, når man så på CubeSat-markedet, og når man så især på (kemisk) fremdrift ved hjælp af (rent brændstof), " sagde Kneižys. "Så vi har set denne niche og er begyndt at arbejde på den."

Gennem et projekt med titlen EPSS, NanoAvionics har udviklet et mindre skadeligt drivmiddel baseret på ammoniumdinitramid, eller ADN, en forbindelse bestående af nitrogen, ilt, og brint, især til små satellitter. Systemet er blevet integreret i en pilotsatellit og har gennemgået en demonstration i kredsløb.

Det nye system er det, der er kendt som et monopropellant, som virker ved at føre brændstoffet hen over en katalysator, der får det til at nedbrydes, producerer varme og gasser, der driver rumfartøjet frem. Andre systemer bruger et bipropellant, hvor to væsker holdes adskilt og typisk antændes ved blanding.

Brug af et bipropellant øger risikoen under fremstilling, siger Kneižys, da de to stoffer ved et uheld kan komme i kontakt og antændes, før de skal. "I vores monopropellant skal du gå kilometer for at sikre, at det brænder, så det er relativt godartet og stabilt sammenlignet med (de fleste) bidrivmiddelsystemer, " sagde Kneižys.

Men det er ikke kun mindre satellitter, der kan drage fordel af ikke-giftigt drivmiddel.

HyproGEO, et projekt koordineret af luftfartsselskabet Airbus, har også udviklet et ikke-giftigt fremdriftssystem, denne gang med fokus på satellitter i geostationær kredsløb om Jorden. kredser ved 36, 000 km, disse satellitter ser ud til at forblive på et fast punkt over jordens overflade og bruges typisk til ting som kommunikation og udsendelser.

"For at komme derop, det tager ret meget energi, " siger Dr. Frischauf fra SpaceTec Partners, medlem af HyproGEO-konsortiet.

Lige nu, at energien for det meste leveres af hydrazinbaserede drivmidler. Men HyproGEO har udviklet et hybridt fremdriftssystem, der i stedet bruger brintoverilte. Brændstoffet, som er 98 % hydrogenperoxid – sammenlignet med den 6 % opløsning, du ville bruge til at blege dit hår – er meget sur, men stadig mindre risikabelt at arbejde med end hydrazin. Det nedbrydes også til ilt og vand, undgå frigivelse af dampe, der er skadelige for mennesker.

Geostationære satellitter er designet til at holde et årti eller længere, så drivmidlet, som også bruges til at manøvrere dem, når de er i kredsløb, skal være tilsvarende robust. "Du skal sikre dig, at den stadig kører efter 15 år, så det burde være et simpelt system, for hvis det er kompliceret, er der altid en risiko for, at noget går i stykker, " sagde Dr. Frischauf.

Hybrid

Løsningen HyproGEO fandt på var at bruge hybrid fremdrift, hvilket indebærer, at hydrogenperoxid føres over en katalysator for at producere meget varm ilt samt vanddamp. At ilt kan sørge for fremdriften af ​​sig selv, eller det kan bruges til at antænde et andet stof for et ekstra boost. "Når du styrer iltstrømmen, du kan styre motorens fremdrift, " sagde Dr. Frischauf.

Holdet udviklede med succes en testmotor til at opbevare det nye drivmiddel, viste, at det gik i opløsning som forventet, og derefter designet en raketmotor ved hjælp af brændstoffet. Siden dette arbejde blev afsluttet i 2018, Det norske forsvarsfirma Nammo har brugt HyproGEO-hybridmotoren til at affyre en raket 107 km fra Jordens overflade på kun tre minutter. en tidsskala, der er typisk for suborbitale raketter, der bruger traditionelle fremdriftssystemer.

Brugen af ​​disse nye drivmidler gavner ikke kun de mennesker, der arbejder med de nuværende giftige brændstoffer, det gør hele infrastrukturen mere effektiv og billigere. Kneižys siger, at EPSS-systemet designet af NanoAvionics koster omkring en tredjedel af lignende produkter, der bruger traditionelle drivmidler.

Med alle disse fordele, hvad holder disse nye drivmidler tilbage? For en, hybride fremdrivningssystemer har traditionelt ikke været i stand til den langvarige affyring, der er nødvendig for at sætte satellitter i geostationær kredsløb, et problem, som HyproGEO formåede at overvinde.

Og industrien har allerede procedurer sat op til at håndtere traditionelle brændstoffer som hydrazin – overgang til noget nyt kræver at forstyrre disse systemer, sagde Dr. Frischauf. "Det kræver altid lidt af en fremdrift, lidt af et skub for at sikre, at den nye teknologi kan sejre."