Nicholas Dallmann jest inżynierem badawczym w Los Alamos National Laboratory, placówce Departamentu Energii USA. Wniósł ten artykuł do Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights. Projekt, który opisuje, jest finansowany przez Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
W filmie „Grawitacja” z 2013 roku, kosmiczny śmieć prawie zabił Sandrę Bullock. Choć ta historia była zdecydowanie fikcją (i to sensacyjną), zagrożenie ze strony kosmicznego śmiecia jest realne – tak realne, że NASA ma całe biuro zajmujące się jego śledzeniem i łagodzeniem skutków. A w zeszłym roku odbyła się pierwsza międzynarodowa konferencja poświęcona w całości gruzom orbitalnym.
Są powody do niepokoju. Obecnie na orbicie około 2 000 satelitów operacyjnych – nie wspominając o kolejnych 3 000 nieoperacyjnych – a oczekuje się, że ta liczba jeszcze wzrośnie. W tym roku planowane jest wystrzelenie ponad 1 500 satelitów. (Porównaj to z 2018 r., Kiedy tylko 365 zostało uruchomionych.)
Related: Space junk explained: The orbital debris threat (infographic)
Kosmos może być duży, ale staje się coraz bardziej zatłoczony, i to jest prawdziwy problem. Niska orbita okołoziemska, lub LEO, gdzie większość satelitów podróżuje, jest zasobem naturalnym. I tak jak w przypadku innych zasobów naturalnych, musimy nimi ostrożnie zarządzać. Wystarczy, że kilka satelitów zderzy się ze sobą, aby wywołać efekt Kesslera: reakcję łańcuchową, w której więcej śmieci powoduje więcej kolizji, co może nie tylko uszkodzić lub zniszczyć praktycznie każdy statek kosmiczny na LEO, ale sprawić, że ta część przestrzeni będzie bezużyteczna przez dziesięciolecia.
Ale co by było, gdyby można było manewrować satelitami na kursie kolizyjnym z dala od niebezpieczeństwa? Wierzcie lub nie, ale to nie jest łatwe do zrobienia. Większość satelitów wysyłanych na LEO – szczególnie małych satelitów i cubesatów – nie posiada systemów napędowych, ponieważ są one ciężkie i drogie. Stanowią one również dodatkowe ryzyko dla rakiety, która wywozi satelitę w przestrzeń kosmiczną, jak również dla innych ładunków, które się do niej przyłączają. To dlatego, że najbardziej powszechny system napędowy rakiety wykorzystuje ciekłe paliwo rakietowe, które jest niezwykle lotne. Jeśli jesteś małym cubesatem jadącym na wielomilionowej rakiecie i twój kapryśny system napędowy wybuchnie podczas startu lub podróży w kosmos, zakończysz całą misję. Mówiąc o złym dniu.
Najprostszym rozwiązaniem jest użycie stałego paliwa rakietowego zamiast niego. Jest to paliwo o dużej sile ciągu, znacznie bezpieczniejsze i tańsze, a ponadto można je przechowywać przez bardzo długi czas. Stałe paliwo rakietowe ma jednak jedną ogromną wadę: Nie można go zatrzymać i ponownie uruchomić. Raz zapalone paliwo ma tylko jedno spalanie. I na tym koniec. I to jest problem przy unikaniu odłamków. Aby uniknąć kolizji poprzez zmianę orbity, potrzebne są co najmniej dwa niezależne wypalenia: jedno by szybko przesunąć satelitę z drogi, a drugie by umieścić go z powrotem na jego właściwej orbicie. Aby wyrzucić satelitę na orbitę, prawdopodobnie potrzeba również wielu wypaleń.
W Los Alamos National Laboratory pracujemy nad zmianą tego stanu rzeczy. Niedawno opracowaliśmy i zademonstrowaliśmy zdolność do wielokrotnego zatrzymywania i ponownego uruchamiania silników rakietowych na paliwo stałe – coś, co nigdy wcześniej nie zostało zrobione.
Related: Sprzątanie kosmicznych śmieci: 7 dzikich sposobów na zniszczenie śmieci orbitalnych
Jak to działa
Rakieta na paliwo stałe jest prosta, ma tylko kilka głównych elementów. Zawiera komorę spalania zawierającą system zapłonowy i materiał pędny oraz dyszę wylotową. Ostatnio opracowaliśmy bezpieczniejszy system paliwowy z oddzielonym paliwem stałym i utleniaczem stałym. Jednak, aby nasz system rakiet na paliwo stałe mógł być zatrzymywany i ponownie uruchamiany, musieliśmy opracować system zapłonowy wielokrotnego użytku oraz resetowalny sposób gaszenia spalania.
Do zapłonu zastąpiliśmy tradycyjne materiały pirotechniczne wodą. Dzięki naszemu systemowi, satelita wystrzeliłby z małym zbiornikiem łagodnej wody. Po wylądowaniu na orbicie i tuż przed spaleniem, elektrolizer rozdzieliłby wodę na wodór i tlen. W momencie zapłonu, wodór i tlen byłyby gwałtownie wtryskiwane do komory spalania i zapalane przez iskrę. Powstały w ten sposób płomień zapaliłby stały materiał pędny.
Kolejnym wyzwaniem było wymyślenie sposobu na ugaszenie spalania. Od dawna wiadomo, że szybka dekompresja komory może niezawodnie spowodować zgaśnięcie rakiety na paliwo stałe – ale jak to najlepiej zrobić? W zeszłym roku opracowaliśmy dyszę aerospike z możliwością zmiany obszaru dławienia. Kiedy rakieta osiągnie pożądaną zmianę prędkości, obszar dławika zostanie otwarty, dekompresując komorę i gasząc spalanie. Kiedy potrzebne jest kolejne spalanie rakiety, obszar dławika jest przywracany do pierwotnej pozycji. Powtarzać w razie potrzeby.
Zademonstrowaliśmy ostatnio wielokrotne niezależne spalanie pojedynczej rakiety na statycznych stanowiskach testowych w Los Alamos. Następną przeszkodą będzie demonstracja na orbicie. Obecnie pracujemy nad udoskonaleniem naszego systemu i szukamy możliwości przeprowadzenia demonstracji.
Przyglądamy się również rozwojowi ładunku użytecznego, który jest odizolowany od głównego satelity i zawiera własne zasilanie, ma łączność o niskiej przepustowości z ziemią, ma kontrolę wysokości, aby ustalić punkt dla spalania i jest wyposażony w nasz system rakiet na paliwo stałe. Z takim ładunkiem, unikanie śmieci i deorbitacja mogą być wykonywane wiele lat po tym, jak satelita osiągnie koniec życia.
Rakiety na paliwo stałe nie są odpowiedzią na wszystkie potencjalne wyzwania związane z problemem śmieci kosmicznych – ale ich prostota, łatwość skalowania do wielkości statku kosmicznego, duży ciąg i teraz wiele niezależnych ciągów czyni je doskonałym kandydatem do unikania śmieci orbitalnych i deorbitacji. Mamy nadzieję, że pewnego dnia rakiety te znajdą się na pokładzie każdego satelity wystrzelonego w kosmos – utrzymując LEO bezpiecznym i użytecznym przez kolejne tysiąclecia.
- Najnowsze wiadomości o śmieciach kosmicznych i gruzach orbitalnych
- Kubesaty: malutkie, wszechstronne statki kosmiczne – wyjaśnienie (infografika)
- Satelitarne „tablice rejestracyjne” i ponowny zapłon paliwa rakietowego mogą zapobiec katastrofom śmieci kosmicznych
Śledź wszystkie tematy i debaty Expert Voices – i stań się częścią dyskusji – na Facebooku i Twitterze. Wyrażone poglądy są poglądami autora i nie muszą odzwierciedlać poglądów wydawcy.
OFFER: Save 45% on 'All About Space’ 'How it Works’ and 'All About History’!
Przez ograniczony czas możesz wykupić cyfrową prenumeratę któregokolwiek z naszych bestsellerowych magazynów naukowych za jedyne 2 dolary.38 miesięcznie, czyli 45% taniej od standardowej ceny za pierwsze trzy miesiące.View Deal
Recent news