Zaawansowany napęd plazmowy oparty na falach helikonowych coraz bliżej komercjalizacji
Obecnie wokół Ziemi krąży przeszło 5 000 satelitów, które znajdują się w stosunkowo niewielkich odległościach względem siebie. Satelity znajdujące się na niskiej orbicie okołoziemskiej sprawdzają się doskonale w realizacji zadań związanych z obserwacją Ziemi na potrzeby monitorowania warunków klimatycznych, realizacji usług telekomunikacyjnych oraz zapewniania obronności. Co więcej, popyt na takie usługi stale rośnie. Masowa produkcja setek satelitów wynoszonych na niską orbitę okołoziemską w celu budowy olbrzymich konstelacji rodzi nowe wymagania w zakresie skracania czasu i obniżania kosztów produkcji, a także kosztów operacyjnych i okresu eksploatacji. Przełomowa technologia napędów plazmowych wykorzystujących fale helikonowe (ang. helicon plasma thruster, HPT) to zaawansowana kategoria napędów elektrycznych, na której skupiają się obecnie prace zespołów badawczo-rozwojowych. Głównym powodem ich popularności jest fakt, że mogą spełnić pokładane w nich oczekiwania. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HIPATIA zajął się rozwojem technologii HPT i opracowaniem kompletnego układu napędowego, dzięki czemu obiecujące nowe rozwiązanie znajduje się obecnie o krok bliżej do wprowadzenia na rynek i pierwszych lotów w kosmos.
Napęd elektryczny pozbawiony elektrod i skomplikowanej elektroniki
Niezależnie od rodzaju, każdy układ napędowy opiera się na trzeciej zasadzie dynamiki Newtona, która mówi, że wyrzucenie czegoś w jednym kierunku skutkuje ruchem w kierunku przeciwnym. Konwencjonalne napędy chemiczne wykorzystują w tym celu spalanie. Wyrzucany strumień spalin powoduje ruch satelity, jednak wymaga zużycia dużej ilości materiału pędnego. W praktyce oznacza to wyższą masę pojazdu, ale także wysokie ryzyko zapłonu, ponieważ materiał pędny jest z założenia wysoce łatwopalny. Nowoczesne elektryczne układy napędowe zużywają znacznie mniej paliwa, jednak ich stosowanie wiąże się z innymi wyzwaniami. Silniki elektrostatyczne jonizują gazy szlachetne przy pomocy wyładowań elektrostatycznych. Wyrzut strumienia zjonizowanych cząstek wytwarza ciąg, lecz sam proces jonizacji wymaga elektrod, których produkcja oraz wykorzystanie nastręczają wiele trudności. Co więcej, wytwarzanie wysokich napięć potrzebnych do ich działania wymaga opracowywania złożonych układów elektronicznych. „Technologia napędów plazmowych opartych na falach helikonowych pozwala na jonizację materiału pędnego w celu wytworzenia gorącej plazmy za pomocą elektromagnetycznego pola o częstotliwości radiowej wytwarzanego przez antenę i magnesy. To pozwala na wyeliminowanie elektrod i złożonych układów elektronicznych, dzięki czemu upraszcza cały układ i umożliwia jego dłuższą eksploatację. Ułatwia tym samym także proces produkcji oraz obniża koszty związane z ich montażem, skracając czas opracowania gotowego rozwiązania”, wyjaśnia koordynatorka projektu Mercedes Ruiz, przedstawicielka spółki Sener.
Rozwój nowych rozwiązań prowadzi do praktycznych testów
Prace w ramach projektu HIPATIA rozpoczęły się od napędu HPT na średnim poziomie gotowości technologicznej (TRL). Pozostałe elementy układu napędowego, na których opiera się jego działanie, nie były dotychczas rozwijane. Modelowanie oraz przeprowadzone testy umożliwiły osiągnięcie wyższego poziomu gotowości technologicznej rozwiązania oraz opracowanie i połączenie nowych podzespołów z napędem. Układ sterujący doprowadzaniem paliwa odpowiada za ustawianie ciśnienia oraz przepływu materiału pędnego. Jednostka generująca fale o częstotliwości radiowej połączona z zasilaczem jonizuje materiał pędny i przyspiesza strumień plazmy opuszczający napęd z dużą prędkością. „W ramach projektu HIPATIA odbyły się dwa udane testy elementów kompletnego układu napędowego opartego na falach helikonowych, które znacząco przybliżyły rozwiązanie do komercjalizacji”, wyjaśnia Ruiz.
Komercjalizacja, nowe innowacje i misje
„Jestem bardzo dumna z pracy wykonanej przez członków konsorcjum projektu HIPATIA - spółki Sener, UC3M, Airbus Defence and Space, Advanced Space Technologies, a także francuskiej Krajowej Rady Badań Naukowych. Choć prace w ramach projektu rozpoczęły się w czasie pandemii COVID-19, udało nam się nawiązać doskonałą współpracę, realizować kolejne cele oraz osiągnąć założenia projektu”, zauważa Ruiz. Badaczom nie tylko udało się znacząco podnieść poziom gotowości technologicznej rozwiązania oraz osiągnąć wyższy poziom integracji układu, ale także opracować „zaawansowane narzędzia do modelowania, symulacji i prowadzenia badań, które przyczyniły się do lepszego zrozumienia zjawisk fizycznych, na których opiera się jego działanie. Doprowadziło to do opracowania nowych metod poprawy sprawności napędu, na których opiera się nowatorski projekt rozwiązania, nad którym pracuje zespół”, wyjaśnia Ruiz. Rozwiązania opracowane w ramach projektu HIPATIA przybliżają wprowadzenie na rynek napędów wykorzystujących częstotliwości radiowe. Dzięki nim powstaną prostsze i bardziej wszechstronne elektryczne układy napędowe, które mogą umożliwić realizację dotychczas nieosiągalnych misji.
Słowa kluczowe
HIPATIA, plazma, napęd, silnik, silnik plazmowy oparty na falach helikonowych, materiał pędny, napęd elektryczny, satelity, modelowanie, napędy wykorzystujące częstotliwości radiowe, symulacja