Nicholas Dallmann är forskningsingenjör vid Los Alamos National Laboratory, en anläggning inom det amerikanska energidepartementet. Han bidrog med den här artikeln till Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights. Det projekt han beskriver finansieras av Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
I filmen ”Gravity” från 2013 dödade rymdskrot nästan Sandra Bullock. Även om den historien definitivt var fiktion (och sensationell fiktion dessutom) är hotet från rymdskrot verkligt – så verkligt att NASA har ett helt kontor som ägnar sig åt att spåra och mildra det. Och förra året hölls den första internationella konferensen som var helt inriktad på orbitalt skräp.
Det finns goda skäl att vara orolig. För närvarande kretsar omkring 2 000 operativa satelliter runt jorden – för att inte tala om ytterligare 3 000 icke operativa satelliter – och det antalet förväntas skjuta i höjden. I år är mer än 1 500 satelliter planerade att skjutas upp. (Jämför detta med 2018, då endast 365 lanserades.)
Relaterat: Rymdskrot förklaras: Orbital skräphotet (infografik)
Rymden må vara stor, men den blir alltmer överbefolkad, och det är ett verkligt problem. Låg jordomloppsbana, eller LEO, där de flesta satelliter färdas, är en naturresurs. Och precis som andra naturresurser måste vi förvalta den noggrant. Det räcker med att några få satelliter kolliderar för att Kessler-effekten ska uppstå: en kedjereaktion där mer skräp leder till fler kollisioner, vilket inte bara skulle kunna skada eller förstöra praktiskt taget alla rymdfarkoster i LEO utan också göra den delen av rymden oanvändbar i årtionden.
Men vad händer om man kan manövrera satelliter som befinner sig på kollisionskurs bort från skadans väg? Tro det eller ej, men det är inte lätt att göra. De flesta satelliter som skickas till LEO – särskilt små satelliter och cubesats – har inga framdrivningssystem eftersom de tenderar att vara tunga och dyra. De utgör också en extra risk för den raket som transporterar satelliten ut i rymden, liksom för alla andra nyttolaster som följer med. Det beror på att det vanligaste raketdriftssystemet använder flytande raketbränsle, som är extremt flyktigt. Om du är en liten cubesat som åker med i en raket som kostar flera miljoner dollar och ditt nyckfulla framdrivningssystem exploderar under uppskjutningen eller under färden ut i rymden, har du förstört hela uppdraget. Snacka om en dålig dag.
Den enklaste lösningen är att använda fast raketbränsle i stället. Det har hög dragkraft, är mycket säkrare och billigt, plus att det kan lagras under extremt långa perioder. Men fast raketbränsle har en enorm nackdel: Det kan inte stoppas och startas på nytt. När du väl har antänt det har du bara en enda bränning. Det var allt. Och det är ett problem när det gäller att undvika skräp. För att undvika kollisioner genom att ändra omloppsbana krävs minst två oberoende bränningar: en för att snabbt flytta den ur vägen och en för att sätta den tillbaka på rätt omloppsbana. För att avlägsna satelliten från omloppsbanan behövs sannolikt också flera bränningar.
På Los Alamos National Laboratory arbetar vi för att ändra på detta. Vi har nyligen utvecklat och demonstrerat förmågan att stoppa och starta om fasta raketmotorer många gånger – något som aldrig tidigare har gjorts.
Relaterat: Rymdskräp rensas upp: 7 vilda sätt att förstöra orbitalt skräp
Hur det fungerar
En solid raket är enkel, med bara några få huvudkomponenter. Den innehåller en förbränningskammare som innehåller ett tändsystem och drivmedel samt ett avgasmunstycke. Vi har nyligen utvecklat ett säkrare drivmedelssystem med separerat fast bränsle och fast oxidationsmedel. Men för att vårt system med fasta raketer ska kunna stoppas och startas på nytt behövde vi utveckla ett återanvändbart tändsystem och ett återställbart sätt att släcka en förbränning.
För tändning ersatte vi traditionell pyroteknik med vatten. Med vårt system skulle en satellit skjutas upp med en liten tank med godartat vatten. När den väl är i omloppsbana och strax före bränningen skulle en elektrolysator separera vattnet till vätgas och syrgas. I tändningsögonblicket skulle väte och syre snabbt injiceras i förbränningskammaren och antändas av en gnista. Den resulterande lågan skulle antända det fasta drivmedlet.
Nästa utmaning var att komma på hur man skulle släcka bränningen. Man har länge förstått att en snabb dekompression av kammaren på ett tillförlitligt sätt kan få en raket med fasta bränslen att slockna – men hur gör man det bäst? Förra året utvecklade vi ett aerospike-munstycke med ett utbytbart strypområde. När bränningen har uppnått en önskad hastighetsförändring öppnas strypområdet, vilket leder till att kammaren dekomprimeras och bränningen släcks. När en ny bränning av raketen behövs återställs choke-området till sitt ursprungliga läge. Upprepa vid behov.
Vi har nyligen demonstrerat flera oberoende bränningar från en enda fast raket i statiska testbänkar i Los Alamos. Nästa hinder blir en demonstration i omloppsbana. Vi arbetar nu med att förfina vårt system och letar efter ett tillfälle för demonstrationen.
Vi tittar också på att utveckla en nyttolast som är isolerad från huvudsatelliten och som innehåller sin egen kraft, har kommunikation med låg bandbredd med marken, har attitydkontroll för att fastställa riktningen för en bränning och är utrustad med vårt system med fasta raketer. Med denna nyttolast skulle man eventuellt kunna undvika skräp och avorbitera många år efter det att satelliten har nått slutet av sin livslängd.
Fasta raketer är inte svaret på alla potentiella utmaningar när det gäller att ta itu med problemet med rymdskräp – men deras enkelhet, deras lätthet att anpassa sig till rymdfarkostens storlek, deras höga dragkraft och nu flera oberoende dragkrafter gör dem till utmärkta kandidater för att undvika skräp i omloppsbanan och avorbitering. Vår förhoppning är att dessa raketer en dag kommer att finnas ombord på alla satelliter som skjuts upp i rymden och att de kommer att hålla LEO säker och användbar i årtusenden framöver.
- Senaste nyheter om rymdskrot och orbitalt skräp
- Cubesats: små, mångsidiga rymdfarkoster förklaras (infografik)
- Satelliternas ”registreringsskyltar” och återantändande av raketbränsle skulle kunna förhindra krascher med rymdskrot
Följ alla frågor och debatter om expertröster – och bli en del av diskussionen – på Facebook och Twitter. De åsikter som uttrycks är författarens och återspeglar inte nödvändigtvis förlagets åsikter.
AFFÄR: Spara 45 % på ”Allt om rymden” ”Hur det fungerar” och ”Allt om historia”!
Under en begränsad tid kan du teckna en digital prenumeration på någon av våra bästsäljande vetenskapstidningar för bara 2 dollar.38 per månad, eller 45 % rabatt på standardpriset för de första tre månaderna.Visa erbjudande
Renliga nyheter