Nicholas Dallmann on tutkimusinsinööri Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa, joka on Yhdysvaltain energiaministeriön laitos. Hän osallistui tämän artikkelin kirjoittamiseen Space.comin Expert Voices -sivustolle: Op-Ed & Insights. Hänen kuvaamaansa hanketta rahoittaa Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
Vuoden 2013 elokuvassa ”Gravity” avaruusromu melkein tappoi Sandra Bullockin. Vaikka tuo tarina oli ehdottomasti fiktiota (ja sensaatiomaista fiktiota vieläpä), avaruusromun uhka on todellinen – niin todellinen, että NASA:lla on kokonainen toimisto, joka on omistettu sen seuraamiselle ja lieventämiselle. Ja viime vuonna järjestettiin ensimmäinen kansainvälinen konferenssi, joka keskittyi kokonaan avaruusromuun.
Huolestumiseen on hyvä syy. Tällä hetkellä maapalloa kiertää noin 2 000 toiminnassa olevaa satelliittia – puhumattakaan 3 000:sta muusta kuin toiminnassa olevasta satelliitista – ja määrän odotetaan nousevan huimasti. Tänä vuonna on tarkoitus laukaista yli 1 500 satelliittia. (Vertaa vuoteen 2018, jolloin laukaistiin vain 365.)
Suhteessa: Avaruusromu selitetty: The orbital debris threat (infographic)
Avaruus saattaa olla suuri, mutta se käy yhä ahtaammaksi, ja se on todellinen ongelma. Matala Maan kiertorata eli LEO, jossa useimmat satelliitit liikkuvat, on luonnonvara. Ja aivan kuten muitakin luonnonvaroja, meidän on hallittava sitä huolellisesti. Riittää, että muutama satelliitti törmää toisiinsa, ja Kessler-ilmiö käynnistyy: käynnistyy ketjureaktio, jossa roskien lisääntyminen johtaa uusiin törmäyksiin, jotka voivat vahingoittaa tai tuhota lähes kaikki LEO:ssa olevat avaruusalukset ja tehdä avaruuden osan käyttökelvottomaksi vuosikymmeniksi.
Mutta entä jos törmäyskurssilla olevia satelliitteja pystyttäisiin manöövereeraamaan pois vaaran tieltä? Usko tai älä, se ei ole helppoa. Useimmissa LEO:iin lähetettävissä satelliiteissa – erityisesti pienissä satelliiteissa ja cubesateissa – ei ole työntövoimajärjestelmiä, koska ne ovat yleensä painavia ja kalliita. Ne aiheuttavat myös lisäriskin raketille, joka kuljettaa satelliitin avaruuteen, sekä muille hyötykuormille, jotka lähtevät kyytiin. Tämä johtuu siitä, että yleisimmissä rakettien käyttövoimajärjestelmissä käytetään nestemäistä rakettipolttoainetta, joka on erittäin haihtuvaa. Jos monimiljoonaisen raketin kyydissä oleva pieni kuutiosatelliitti räjähtää laukaisun aikana tai matkalla avaruuteen, koko operaatio on ohi. Siinäpä vasta huono päivä.
Helpoin ratkaisu on käyttää sen sijaan kiinteää rakettipolttoainetta. Se on suuren työntövoiman omaavaa, paljon turvallisempaa ja edullista, minkä lisäksi sitä voidaan varastoida erittäin pitkiä aikoja. Mutta kiinteällä rakettipolttoaineella on yksi valtava haittapuoli: Sitä ei voi pysäyttää eikä käynnistää uudelleen. Kun se kerran sytytetään, se palaa vain kerran. Siinä kaikki. Se on ongelma roskien välttämisessä. Törmäyksen välttämiseksi kiertorataa muuttamalla tarvitaan vähintään kaksi toisistaan riippumatonta polttoa: yksi sen nopeaan siirtämiseen pois tieltä ja toinen sen palauttamiseen oikealle kiertoradalleen. Satelliitin poistamiseksi kiertoradalta tarvitaan todennäköisesti myös useita polttoja.
Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa työskentelemme tämän asian muuttamiseksi. Olemme hiljattain kehittäneet ja demonstroineet kyvyn pysäyttää ja käynnistää kiinteät rakettimoottorit useita kertoja – jotain, mitä ei ole koskaan ennen tehty.
Seuraava: Avaruusromun siivoaminen: 7 villiä tapaa tuhota kiertoratajätettä
Miten se toimii
Tukiraketti on yksinkertainen, ja siinä on vain muutama tärkeä komponentti. Siihen kuuluu polttokammio, jossa on sytytysjärjestelmä ja ajoaine, sekä pakosuutin. Kehitimme äskettäin turvallisemman ajoainejärjestelmän, jossa on erotettu kiinteä polttoaine ja kiinteä hapetin. Jotta kiinteä rakettijärjestelmämme voitaisiin kuitenkin pysäyttää ja käynnistää uudelleen, meidän oli kehitettävä uudelleenkäytettävä sytytysjärjestelmä ja palautettava tapa sammuttaa palaminen.
Sytytystä varten korvasimme perinteisen pyrotekniikan vedellä. Järjestelmämme avulla satelliitti laukaistaisiin pienellä säiliöllä hyvänlaatuista vettä. Kiertoradalle päästyään ja juuri ennen polttoa elektrolysaattori erottaisi veden vety- ja happikaasuiksi. Sytytyshetkellä vety ja happi ruiskutettaisiin nopeasti polttokammioon ja sytytettäisiin kipinällä. Näin syntyvä liekki sytyttäisi kiinteän polttoaineen.
Seuraavana haasteena oli keksiä, miten palaminen sammutettaisiin. On jo pitkään ymmärretty, että kammion nopea dekompressio voi luotettavasti saada kiinteän raketin sammumaan – mutta miten se parhaiten tapahtuisi? Viime vuonna kehitimme aerospike-suuttimen, jossa on vaihdettava kuristusalue. Kun palaminen on saavuttanut halutun nopeudenmuutoksen, kuristusalue avataan, jolloin kammio purkautuu ja palaminen sammuu. Kun raketti halutaan polttaa uudelleen, kuristusalue palautetaan alkuperäiseen asentoonsa. Toistetaan tarpeen mukaan.
Olemme hiljattain demonstroineet useita toisistaan riippumattomia polttoja yhdestä kiinteästä raketista Los Alamosin staattisissa koelaitteissa. Seuraava este on kiertoradalla tapahtuva demonstrointi. Työskentelemme nyt järjestelmämme hiomiseksi ja etsimme tilaisuutta demonstrointiin.
Harkitsemme myös sellaisen hyötykuorman kehittämistä, joka on eristetty pääsatelliitista ja joka sisältää oman virran, jolla on matalan kaistanleveyden viestintäyhteydet maahan, jolla on asennonohjaus, jolla voidaan määrittää suunta polttoa varten, ja joka on varustettu kiinteällä rakettijärjestelmällämme. Tämän hyötykuorman avulla roskien välttäminen ja kiertoradalta poistuminen voitaisiin mahdollisesti toteuttaa monta vuotta sen jälkeen, kun satelliitti on saavuttanut elinkaarensa lopun.
Kiinteät raketit eivät ole vastaus kaikkiin mahdollisiin haasteisiin avaruusromun aiheuttaman ongelman ratkaisemisessa – mutta niiden yksinkertaisuus, helppo skaalautuvuus avaruusaluksen kokoon nähden, suuri työntövoima ja nyt myös useat toisistaan riippumattomat työntövoimanlähteet tekevät niistä loistavan ehdokkaan kiertoradalla olevien roskien välttämiseen ja kiertoradalta poistumiseen. Toivomme, että jonain päivänä nämä raketit kulkevat jokaisen avaruuteen lähetettävän satelliitin mukana ja pitävät LEO:n turvallisena ja käyttökelpoisena vuosituhansien ajan.
- Viimeisimmät uutiset avaruusromusta ja kiertoratajätteistä
- Cubesatit: pienet, monipuoliset avaruusalukset selitetty (infografiikka)
- Satelliittien ”rekisterikilvet” ja rakettipolttoaineen uudelleensytyttäminen voisivat estää avaruusromun putoamiset
Seuraa kaikkia Asiantuntijaäänien aiheita ja keskusteluja – ja tule mukaan keskusteluun – Facebookissa ja Twitterissä. Esitetyt näkemykset ovat kirjoittajan omia eivätkä välttämättä vastaa kustantajan näkemyksiä.
TARJOUS: Säästä 45 % ’All About Space’ ’How it Works’ ja ’All About History’ -lehdissä!
Voit rajoitetun ajan tilata minkä tahansa myydyimmistä tiedelehdistämme digitaalisesti vain 2 dollarilla.38 kuukaudessa, eli 45 % alennusta kolmen ensimmäisen kuukauden normaalihinnasta.Näytä tarjous
Uudemmat uutiset