De ontwikkeling van nieuwe drijfgassen voor satellieten ter vervanging van het giftige hydrazine zou het lanceren en hanteren van satellieten veiliger maken, maar het vereist ook verstoring van de huidige systemen, volgens onderzoekers.

Naarmate het aantal satellieten stijgt, net als de hoeveelheid brandstof die we gebruiken om ze te lanceren. En in een baan om de aarde komen is slechts de helft van de vergelijking. Zodra een satelliet zich boven de aarde bevindt, heeft hij een voortstuwingsmethode nodig om ervoor te zorgen dat hij indien nodig kan bewegen, ruimteafval vermijden, compenseren voor weerstand in de tijd, en zelfs zichzelf uit zijn baan aan het einde van zijn missie.

Het huidige standaard drijfgas voor satellieten is op hydrazine gebaseerde brandstof, die zeer giftig is. Blootstelling aan hoge niveaus van hydrazine kan tal van gezondheidsproblemen veroorzaken, inclusief schade aan de lever, nieren en het centrale zenuwstelsel. Als hydrazine wordt gemorst terwijl een satelliet nog op de grond is, het gewelddadige en explosieve karakter ervan kan een probleem voor de openbare veiligheid worden.

Het voorbereiden van een hydrazine-aangedreven satelliet voor de ruimte is een gevaarlijke taak die speciale voorzorgsmaatregelen vereist voor alle betrokkenen, inclusief ruimtepakachtige kleding die ervoor zorgt, mocht er iets mis gaan, de mensen die met de brandstof omgaan, zouden het gas zelf niet inademen. "Ze lijken een beetje op een Michelin-mannetje, " zei Dr. Norbert Frischauf, een partner bij ruimteadviesbureau SpaceTec Partners in België.

Het is dus geen verrassing dat ingenieurs op zoek zijn naar nieuwe, schonere manieren om satellieten te lanceren en voort te stuwen die in plaats daarvan niet-giftige brandstoffen gebruiken. "Hydrazine is behoorlijk smerig om mee te werken vanuit een gezondheids- en veiligheidsperspectief, dus we zien veel meer interesse in dit soort drijfgassen, " zei Erikas Kneižys, Chief Design Officer bij NanoAvionics, een fabrikant van ruimtevaartuigapparatuur gevestigd in Europa en de VS.

In 2011, het Europees Agentschap voor chemische stoffen heeft hydrazine toegevoegd aan zijn lijst van 'zeer zorgwekkende stoffen', wat betekent dat het gebruik ervan binnenkort zou kunnen worden beperkt.

CubeSats

NanoAvionics is gespecialiseerd in technologie voor nanosatellieten, inclusief CubeSats, dat zijn miniatuursatellieten gemaakt van kubusvormige eenheden van 10 cm, meestal gebouwd met gebruiksklare componenten en met een gewicht van ongeveer 1 kg per stuk. Naarmate kleinere satellieten zoals deze steeds gebruikelijker worden - NanoAvionics zegt dat het aantal lanceringen van kleine satellieten tussen 2016 en 2020 met 300% is toegenomen - zal de vraag naar schone drijfgassen die geschikt zijn voor hen waarschijnlijk toenemen.

"Er waren eigenlijk geen producten als we naar de CubeSat-markt keken en vooral naar (chemische) voortstuwing met (schone brandstof), "zei Kneižys. "Dus we hebben deze niche gezien en zijn eraan begonnen."

Via een project genaamd EPSS, NanoAvionics heeft een minder schadelijk drijfgas ontwikkeld op basis van ammoniumdinitramide, of ADN, een verbinding die bestaat uit stikstof, zuurstof, en waterstof, vooral voor kleine satellieten. Het systeem is geïntegreerd in een proefsatelliet en heeft een demonstratie in een baan om de aarde ondergaan.

Het nieuwe systeem is wat bekend staat als een monostuwstof, die werkt door de brandstof over een katalysator te leiden waardoor deze ontbindt, warmte en gassen produceren die het ruimtevaartuig voortstuwen. Andere systemen gebruiken een bipropeller, waarin twee vloeistoffen gescheiden worden gehouden en typisch ontbranden bij het mengen.

Het gebruik van een bipropeller verhoogt het risico tijdens de productie, zegt Kneižys, omdat de twee stoffen per ongeluk met elkaar in contact kunnen komen en ontbranden voordat ze dat zouden moeten doen. "In onze monostuwstof moet je kilometers maken om ervoor te zorgen dat het brandt, dus het is relatief goedaardig en stabiel in vergelijking met (de meeste) bipropellersystemen, ' zei Kneižys.

Maar het zijn niet alleen kleinere satellieten die kunnen profiteren van niet-giftig drijfgas.

HyproGEO, een project gecoördineerd door ruimtevaartbedrijf Airbus, heeft ook een niet-toxisch aandrijfsysteem ontwikkeld, deze keer gericht op satellieten in een geostationaire baan rond de aarde. In een baan om 36, 000 km, deze satellieten lijken op een vast punt boven het aardoppervlak te blijven en worden meestal gebruikt voor zaken als communicatie en omroep.

"Om daar te komen, het kost nogal wat energie, " zegt Dr. Frischauf van SpaceTec Partners, een lid van het HyproGEO-consortium.

Direct, die energie wordt meestal geleverd door drijfgassen op basis van hydrazine. Maar HyproGEO heeft een hybride voortstuwingssysteem ontwikkeld dat in plaats daarvan waterstofperoxide gebruikt. De brandstof, dat is 98% waterstofperoxide - vergeleken met de ongeveer 6% oplossing die je zou gebruiken voor het bleken van je haar - is zeer zuur, maar nog steeds minder riskant om mee te werken dan hydrazine. Het breekt ook af tot zuurstof en water, voorkomen dat er dampen vrijkomen die schadelijk zijn voor de mens.

Geostationaire satellieten zijn ontworpen om tien jaar of langer mee te gaan, dus het drijfgas, die ook wordt gebruikt om ze te manoeuvreren als ze eenmaal in een baan om de aarde zijn, moet even robuust zijn. "Je moet ervoor zorgen dat het na 15 jaar nog steeds draait, dus het zou een eenvoudig systeem moeten zijn, want als het ingewikkeld is, is er altijd een risico dat er iets kapot gaat, " zei dr. Frischauf.

Hybride

De oplossing die HyproGEO bedacht was om hybride voortstuwing te gebruiken, waarbij het waterstofperoxide over een katalysator wordt geleid om zeer hete zuurstof en waterdamp te produceren. Die zuurstof kan zelf voor de voortstuwing zorgen, of het kan worden gebruikt om een ​​andere stof te ontsteken voor een extra boost. "Als je de zuurstofstroom regelt, je kunt de stuwkracht van de motor regelen, " zei dr. Frischauf.

Het team heeft met succes een testmotor ontwikkeld om het nieuwe drijfgas op te slaan, toonde aan dat het ontleedde zoals verwacht, en ontwierp vervolgens een raketmotor met behulp van de brandstof. Aangezien dat werk in 2018 werd voltooid, Het Noorse defensiebedrijf Nammo heeft de hybride HyproGEO-motor gebruikt om in slechts drie minuten een raket op 107 km van het aardoppervlak te lanceren. een tijdschaal die typisch is voor suborbitale raketten met traditionele voortstuwingssystemen.

Het gebruik van deze nieuwe drijfgassen komt niet alleen de mensen die met de huidige giftige brandstoffen werken ten goede, het maakt de hele infrastructuur efficiënter en ook goedkoper. Kneižys zegt dat het EPSS-systeem, ontworpen door NanoAvionics, ongeveer een derde kost van vergelijkbare producten die traditionele drijfgassen gebruiken.

Met al die voordelen wat houdt deze nieuwe drijfgassen tegen? Voor een, hybride voortstuwingssystemen zijn traditioneel niet in staat geweest tot het langdurige vuren dat nodig is om satellieten in een geostationaire baan te brengen, een probleem dat HyproGEO wist op te lossen.

En de industrie heeft al procedures opgesteld om met traditionele brandstoffen zoals hydrazine om te gaan - de overgang naar iets nieuws vereist het verstoren van die systemen, zei dr. Frischauf. "Het heeft altijd een beetje een impuls nodig, een duwtje in de rug om ervoor te zorgen dat de nieuwe technologie kan zegevieren."