Nicholas Dallmann er forskningsingeniør ved Los Alamos National Laboratory, en facilitet i USA’s energiministerium. Han bidrog med denne artikel til Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Indsigter. Det projekt, han beskriver, er finansieret af Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
I filmen “Gravity” fra 2013 dræbte rumskrot næsten Sandra Bullock. Selv om den historie helt klart var fiktion (og sensationel fiktion i øvrigt), er truslen fra rumskrot reel – så reel, at NASA har et helt kontor, der er dedikeret til at spore og afbøde den. Og sidste år blev der afholdt den første internationale konference, der udelukkende fokuserede på orbital skrot.
Der er god grund til at være bekymret. I øjeblikket kredser omkring 2.000 operationelle satellitter om Jorden – for ikke at nævne yderligere 3.000 ikke-operationelle satellitter – og dette antal forventes at stige voldsomt. I år er der planlagt opsendelse af mere end 1.500 satellitter. (Sammenlign dette med 2018, hvor kun 365 blev opsendt.)
Relateret: Rumskrot forklaret: The orbital debris threat (infographic)
Rummet er måske nok stort, men det bliver mere og mere overfyldt, og det er et reelt problem. Lavt kredsløb om Jorden, eller LEO, hvor de fleste satellitter rejser, er en naturressource. Og ligesom andre naturressourcer er vi nødt til at forvalte den omhyggeligt. Der skal blot et par satellitter til at kollidere for at fremkalde Kessler-effekten: en kædereaktion, hvor mere vragrester resulterer i flere kollisioner, hvilket ikke blot kan beskadige eller ødelægge stort set alle rumfartøjer i LEO, men også gøre denne del af rummet ubrugelig i årtier.
Men hvad nu, hvis man kunne manøvrere satellitter på kollisionskurs ud af farezonen? Tro det eller ej, men det er ikke let at gøre. De fleste satellitter, der sendes op i LEO – især små satellitter og cubesats – har ikke fremdriftssystemer, fordi de har en tendens til at være tunge og dyre. De udgør også en ekstra risiko for den raket, der transporterer satellitten ud i rummet, og for alle andre nyttelaster, der er med på turen. Det skyldes, at det mest almindelige raketfremdriftssystem anvender flydende raketbrændstof, som er ekstremt flygtigt. Hvis du er en lille cubesat, der er med på en raket til flere millioner dollars, og dit ustabile fremdriftssystem eksploderer under opsendelsen eller under turen ud i rummet, er hele missionen forbi. Snak om en dårlig dag.
Den nemmeste løsning er at bruge fast raketbrændstof i stedet. Det har høj skubkraft, er meget sikrere og billigere, og det kan desuden opbevares i ekstremt lang tid. Men fast raketbrændstof har én stor ulempe: Det kan ikke stoppes og genstartes. Når man først har antændt det, har man kun én afbrænding. Det er det hele. Og det er et problem, når det gælder om at undgå vragrester. Hvis man vil undgå kollisioner ved at ændre kredsløb, skal man have mindst to uafhængige afbrændinger: en til hurtigt at flytte den af vejen og en til at bringe den tilbage på sit korrekte kredsløb. For at fjerne satellitten fra kredsløbet er det sandsynligvis også nødvendigt med flere afbrændinger.
På Los Alamos National Laboratory arbejder vi på at ændre dette. Vi har for nylig udviklet og demonstreret evnen til at stoppe og genstarte solide raketmotorer mange gange – noget, der aldrig er blevet gjort før.
Relateret: Rumskrot oprydning: 7 vilde måder at ødelægge orbital skrot på
Sådan fungerer det
En faststofraket er enkel og består kun af få hovedkomponenter. Den omfatter et forbrændingskammer, der indeholder et tændingssystem og drivmiddel, og en udstødningsdyse. Vi har for nylig udviklet et mere sikkert drivstofsystem med separeret fast brændstof og fast oxidationsmiddel. Men for at gøre vores faststofraket-system i stand til at stoppe og genstarte, var vi nødt til at udvikle et genanvendeligt tændingssystem og en genindstillelig måde at slukke en forbrænding på.
Til tænding erstattede vi traditionelle pyrotekniske stoffer med vand. Med vores system ville en satellit blive opsendt med en lille tank med ufarligt vand. Når den er i kredsløb og lige før en afbrænding, vil en elektrolyser adskille vandet i brint- og iltgasser. I tændingsøjeblikket vil brint og ilt hurtigt blive sprøjtet ind i forbrændingskammeret og antændt af en gnist. Den resulterende flamme ville antænde det faste drivmiddel.
Den næste udfordring var at finde ud af, hvordan man kunne slukke forbrændingen. Det har længe været kendt, at en hurtig dekompression af kammeret pålideligt kan få en faststofraket til at slukke – men hvordan gør man det bedst? Sidste år udviklede vi en aerospike-mundstykke med et ændringsbart choke-område. Når forbrændingen har opnået en ønsket hastighedsændring, åbnes drosselområdet, hvorved kammeret dekomprimeres og forbrændingen slukkes. Når der er behov for en ny forbrænding af raketten, sættes drosselområdet tilbage til sin oprindelige position. Gentag dette efter behov.
Vi har for nylig demonstreret flere uafhængige afbrændinger fra en enkelt faststofraket i statiske testopstillinger i Los Alamos. Den næste forhindring vil være en demonstration i kredsløb. Vi arbejder nu på at forfine vores system og leder efter en mulighed for demonstrationen.
Vi ser også på at udvikle en nyttelast, der er isoleret fra hovedsatellitten, og som indeholder sin egen strømforsyning, har kommunikation med lav båndbredde med jorden, har holdningskontrol til at fastlægge pejling til en afbrænding og er udstyret med vores faststofraket-system. Med denne nyttelast vil det muligvis kunne lade sig gøre at undgå rumskrot og de-orbitere mange år efter, at satellitten har nået slutningen af sin levetid.
Solidraketter er ikke løsningen på alle potentielle udfordringer i forbindelse med løsningen af problemet med rumskrot – men deres enkelhed, nemme skalering til rumfartøjets størrelse, høje tryk og nu flere uafhængige tryk gør dem til en god kandidat til at undgå rumskrot og de-orbitere. Vores håb er, at disse raketter en dag vil være om bord på alle satellitter, der opsendes i rummet, og at de vil holde LEO sikker og brugbar i årtusinder fremover.
- Sidste nyt om rumskrot og orbital skrot
- Cubesats: små, alsidige rumfartøjer forklaret (infografik)
- Satellit-“nummerplader” og genantændelse af raketbrændstof kan forhindre nedstyrtning af rumskrot
Følg alle ekspertstemmernes emner og debatter – og bliv en del af diskussionen – på Facebook og Twitter. De udtrykte synspunkter er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter.
TILBUD: Spar 45 % på ‘Alt om rummet’ ‘Sådan fungerer det’ og ‘Alt om historie’!
I en begrænset periode kan du tegne et digitalt abonnement på et af vores bedst sælgende videnskabelige magasiner for kun 2 $.38 pr. måned, eller 45 % rabat på standardprisen for de første tre måneder.Vis tilbud
Reneste nyheder