Nowatorski napęd plazmowy zwiększa możliwości manewrowania małych satelitów
Nanosatelity to małe satelity, które mają zwykle zaledwie kilkadziesiąt centymetrów długości, a ich masa nie przekracza 50 kilogramów. Są one obecnie wykorzystywane do różnych celów, w tym telekomunikacji, obserwacji Ziemi, nawigacji i pozycjonowania, a nawet eksploracji międzyplanetarnej. Często rozmieszcza się je w przestrzeni kosmicznej w taki sposób, aby tworzyły konstelacje, dzięki czemu pozwalają znacznie poszerzyć wachlarz możliwości infrastruktury kosmicznej. Luc Herrero z firmy Comat tłumaczy: „Nanosatelity zdemokratyzowały dostęp do przestrzeni kosmicznej, umożliwiając szerszej grupie podmiotów, od start-upów po instytucje edukacyjne, udział w badaniach i przedsięwzięciach kosmicznych”. Konstruktorzy nanosatelitów wciąż jednak mierzą się z istotnymi wyzwaniami dotyczącymi złożoności napędu i obsługi, zarówno na ziemi, jak i na orbicie, przez co zmniejsza się efektywność i bezpieczeństwo tych małych statków kosmicznych, a także trudniej jest obniżyć ich koszty. Finansowany przez UE projekt PJP, koordynowany przez Herrero, poświęcony był badaniu napędu elektrycznego jako rozwiązanie odpowiadające na zadania stawiane przez obecne procesy związane z wynoszeniem nanosatelitów w przestrzeń kosmiczną na pokładzie specjalnych rakiet. Wykorzystując specjalnie zaprojektowane metody i sondy, zespół opracował plazmowy pulsacyjny system napędowy, opracowując narzędzia symulacyjne do badania fizycznych mechanizmów działania napędu i przyczyniając się do stworzenia modularnego prototypu, bazującego na poprzednich wersjach.
Napęd elektryczny
Opracowana w projekcie PJP technologia napędu elektrycznego opiera się na zjawisku łuku próżniowego. Polega ono na wytwarzaniu szybkich jonów ze stałego metalicznego materiału pędnego, gdy następuje wyładowanie elektryczne w próżni między dwiema elektrodami – katodą (której rolę pełni materiał pędny) i anodą (elektrodą pasywną). Energia elektronów jest przekazywana do jonów dzięki procesowi ich schładzania, podczas którego wytwarzane jest silne pole elektryczne. System PJP wyrzuca quasi-neutralną plazmę z bardzo dużą prędkością dochodzącą do 50 kilometrów na sekundę, w wyniku czego generowany jest ciąg. „Nasze urządzenie pozwala generować ciąg na żądanie w przestrzeni kosmicznej i w ten sposób sprawnie manewrować satelitą, a jednocześnie umożliwia bezpieczne przechowywanie materiału pędnego w kompaktowej formie. Tego rodzaju rozwiązanie nie wymaga stosowania toksycznych materiałów, zbiorników ciśnieniowych oraz zaworów potrzebnych w konwencjonalnych napędach elektrycznych i chemicznych”, wyjaśnia Herrero. Zespół wykorzystał opracowane przez siebie metody diagnostyczne, aby scharakteryzować ponad 30 różnych geometrii komór do generowania wyładowań łukowych, co pozwoliło na zaprojektowanie narzędzia symulacyjnego do badania różnych konfiguracji rozwiązania. „Połączenie metod badania charakterystyki plazmy i narzędzi symulacyjnych pozwoliło nam lepiej zrozumieć fizykę łuku próżniowego, dzięki czemu stworzyliśmy jedną z najbardziej innowacyjnych technologii w tej dziedzinie”, wyjaśnia Herrero. Modułowa konstrukcja pozwoliła na opracowanie trzech elementów konstrukcyjnych: komory do generowania wyładowań łukowych, generatora plazmy oraz jednostki zasilania i sterowania napędem. Po przeprowadzeniu testów zespół połączył je w celu stworzenia prototypu silnika Plasma Jet Pack o mocy 30 W, kompatybilnego także z wersjami 80 W i 150 W. Konstrukcja prototypu opiera się na uproszczonych wariantach elementów opracowanych jeszcze przed realizacją prac w ramach projektu. „Choć większość uzyskanych w toku przeprowadzonych testów parametrów odpowiada potrzebom rynku, potrzebne są dalsze prace nad sposobami zapobiegania erozji elektrod i wydłużenia czasu generowania ciągu”, mówi Herrero. Pierwszy lot modułowego systemu PJP30, który pozwoli na zaprezentowanie możliwości rozwiązania w zakresie generowania ciągu kierunkowego, został zaplanowany na 2024 rok.
Różnorodne zastosowania
Systemy napędowe do statków kosmicznych stanowiące alternatywę wobec napędów wykorzystujących chemiczne materiały pędne przyczyniają się do realizacji celów Unii Europejskiej w zakresie zrównoważonego rozwoju, a także sprawiają, że UE staje się bardziej samowystarczalna pod względem technologii kosmicznych. Potencjalne zastosowania tych systemów obejmujące monitorowanie środowiska, budowę doskonalszych sieci komunikacyjnych i zwiększanie bezpieczeństwa badań kosmosu, przyniosą również korzyści europejskiej gospodarce, przyczyniając się do tworzenia nowych miejsc pracy oraz pozwalając Europie wyjść na pozycję lidera rozwoju technologii. Zespół pracuje obecnie nad nowym modułem charakteryzującym się lepszymi możliwościami, które pozwolą zastosować go w ramach bardziej zróżnicowanych misji.
Słowa kluczowe
PJP, nanosatelity, plazma, fizyka, napęd odrzutowy, ciąg, materiał pędny, przestrzeń kosmiczna, napęd elektryczny