Een raket gaat de ruimte in met een sleepzeil. Het doel? Voor het sleepzeil om de raket terug naar de aarde te brengen, voorkomen dat het wordt zoals de duizenden stukjes ruimteafval in de lagere baan van de aarde.

Het sleepzeil, ontwikkeld door Purdue University-ingenieurs, zal aan boord zijn van een Firefly Aerospace-raket die naar verwachting in november wordt gelanceerd vanaf Vandenberg Air Force Base in Californië.

Dit zeil en zes andere "Dedicated Research and Education Accelerator Mission" (DREAM) payloads vliegen op de Alpha-lancering van Firefly Aerospace, de eerste vlucht voor het draagraketbedrijf.

"Hoogwaardige banen rond de aarde raken overbelast, " zei David Spencer, een Purdue adjunct universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart en de missiemanager voor de Mars Sample Return Campaign bij NASA's Jet Propulsion Laboratory.

"Als we geen satellieten of andere onderdelen van lanceervoertuigen uit de baan krijgen, dan zullen uiteindelijk intensief gebruikte banen onbruikbaar worden voor andere ruimtesystemen, " zei hij. "Drag sail-technologie is ontworpen om te lanceren met een gastruimtevaartuig of lanceervoertuig en te worden ingezet aan het einde van de missie van het gastvoertuig. De weerstand van de atmosfeer van de aarde zal de baan van het voertuig versnellen."

genaamd "Spinnaker3, " dit sleepzeil is niet het eerste dat de ruimte in wordt gelanceerd. Maar het is een van de eersten die groot genoeg is om de bovenste trap van een lanceervoertuig uit zijn baan te halen. De Firefly Alpha-lancering zal zich richten op een baanhoogte van ongeveer 200 mijl, maar het Spinnaker3-sleepzeil is in staat om deorbit-mogelijkheden te bieden vanaf een baanhoogte van 400 mijl of meer.

Dit is te danken aan 3 meter lange gieken van koolstofvezel (vandaar de "3" in de naam) die een zeil uittrekken met een oppervlakte van 194 vierkante voet.

Het zeil zelf is gemaakt van glinsterend doorschijnend materiaal, een gefluoreerd polyimide genaamd CP-1, geproduceerd door het bedrijf NeXolve. Het materiaal is ontworpen om degradatie van monoatomaire zuurstof in een lage baan om de aarde te weerstaan.

De laboratoriumingenieur van Purdue, Anthony Cofer, leidde het ontwerp en het testen van de sleepzeilconstructie.

"Dit sleepzeil heeft gieken zoals een zeilboot, maar zeilen door de ruimte is heel anders. De sleepzeilgieken moeten extreem licht van gewicht zijn, en ze moeten in een strak volume worden opgeborgen, "Zei Cofer. "Eenmaal ingezet, het zeil moet zijn integriteit behouden tijdens de deorbit-fase, dat kan maanden of jaren zijn."

Lanceervoertuigen en andere ruimtevaartuigen komen meestal vanzelf uit hun baan met behulp van drijfgas, maar deze stuwstofbehoeften beperken de nuttige lading die een draagraket in de ruimte kan brengen. Sleepzeilen gebruiken atmosfeerslepen om de klus te klaren, besparing van waardevol drijfgas en vermindering van de totale voertuigmassa.

Amerikaanse ruimtevoertuigen moeten binnen 25 jaar na het einde van de missie uit hun baan zijn. Als een satelliet of draagraket onbruikbaar wordt, het kan geen drijfgas gebruiken om uit zijn baan te komen. Een sleepzeil helpt ruimtevaartuigen passief om uit hun baan te komen, zelfs als het niet werkt of geen drijfvermogen heeft.

De lancering van Firefly Aerospace Alpha zal een test zijn van hoe goed het Spinnaker3-prototype het lanceervoertuig helpt om uit de baan te komen.

"Veel dingen zouden in ongeveer honderd jaar vanzelf kunnen verdwijnen, maar dat doet ons geen goed. We willen die deorbitatie bespoedigen met een sleepzeil, " zei Arly Zwart, een Purdue Ph.D. kandidaat in de luchtvaart en ruimtevaart, die systeemtests en prestatieanalyses voor Spinnaker3 heeft uitgevoerd.

"Rekening houdend met de voorspelde atmosferische omstandigheden voor november, het Firefly Aerospace-lanceervoertuig zou binnen 25 dagen op een lage hoogte van ongeveer 200 mijl uit zijn baan kunnen verdwijnen. Met Spinnaker3, het deorbitatieproces kan worden verkort tot 15 dagen."

Deorbiteren zonder zeil in 25 dagen is al een redelijke tijd voor lage hoogten, Zwart zei, maar naarmate de lanceringshoogte toeneemt, deorbit tijd ook, waardoor de kans op een botsing met andere objecten toeneemt. Het versnellen van die deorbit-tijd met een sleepzeil zou een enorm verschil maken.

Spinnaker3 is een prototype voor een productlijn van sleepzeilen die wordt ontwikkeld door Vestigo Aerospace LLC, een startend bedrijf opgericht door Spencer. Het idee is om sleepzeilen van verschillende afmetingen en gieklengtes te ontwikkelen die zijn afgestemd op het type ruimtevaartuig. De technologie is in licentie gegeven door de Purdue Research Foundation. Spencer heeft met de Purdue Foundry samengewerkt aan de ontwikkeling van bedrijfsmodellen voor de startup.

De productlijn omvat ook een Spinnaker1 zeil, die 1 meter lange gieken heeft die zijn ontworpen om kleinere satellieten zoals CubeSats die worden gebruikt voor ruimteonderzoek uit hun baan te halen.

Spencer regisseerde de jarenlange ontwikkeling van Spinnaker3 door studenten, faculteit en personeel van Purdue's Space Flight Projects Laboratory. De ontwikkeling van sleepzeilen omvatte ook bijdragen van 18 niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten als onderdeel van een cursus over ruimtevluchtprojecten.

Lab testen van Spinnaker3 bij Purdue voltooid in het voorjaar. Een team van de California Polytechnic State University, San Luis Obispo droeg een avionica-eenheid bij die stroom en communicatie levert voor de lading, evenals beeldvormingscapaciteit waarmee foto's van het zeil na inzet naar de aarde kunnen worden verzonden.

Vestigo Aerospace werkte samen met Purdue voor een NASA Fase I SBIR-prijs en heeft onlangs een tweejarig Fase II-onderzoek ontvangen om de sleepzeiltechnologie vooruit te helpen. De hoofdonderzoeker van Purdue voor de SBIR is Alina Alexeenko, een professor in de School of Aeronautics and Astronautics.