Η νέα μηχανή διαστημικού σκάφους του MIT θα μπορούσε να στείλει μικροσκοπικούς δορυφόρους στον Άρη

Η τεχνολογία θα μπορούσε να δώσει στους μικρούς δορυφόρους πολύ μεγαλύτερη ευελιξία στο διάστημα. Αντί να βασίζονται σε χωριστά συστήματα καυσίμων για διαφορετικούς τύπους ελιγμών, τα μελλοντικά διαστημόπλοια θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν ένα μόνο προωθητικό για να εκτελούν τόσο γρήγορους ελιγμούς όσο και αργούς, εξαιρετικά ελεγχόμενους ελιγμούς.

Στην καρδιά του συστήματος βρίσκεται ένα ειδικό καύσιμο που λειτουργεί τόσο με χημικά όσο και με ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης. Μέχρι τώρα, αυτές οι τεχνολογίες απαιτούσαν συνήθως ξεχωριστά προωθητικά και υλικό, προσθέτοντας βάρος και πολυπλοκότητα.

«Αν μπορείς να κάνεις χημική και ηλεκτρική πρόωση σε ένα μικρό πακέτο, είναι το καλύτερο και των δύο κόσμων», είπε η Amelia Bruno, πρώην μεταδιδακτορική στο Τμήμα Αεροναυτικής και Αστροναυτικής του MIT (AeroAstro). «Αυτό ανοίγει την πόρτα σε μικρότερους δορυφόρους να κάνουν περισσότερη επιστήμη, περισσότερες παρατηρήσεις και πιο ενδιαφέρουσες αποστολές σε μια μικρότερη και φθηνότερη πλατφόρμα».

Ο Μπρούνο είναι ο κύριος συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύτηκε Journal of Propulsion and Power. Η έρευνα δείχνει ότι ένα “πράσινο μονοπροωθητικό” που αναπτύχθηκε αρχικά από την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ για χημική πρόωση μπορεί να τροφοδοτήσει με επιτυχία μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς προωθητές γνωστούς ως προωθητές ηλεκτροψεκασμού.

Συνδυασμός χημικής και ηλεκτρικής διαστημικής πρόωσης

Οι προωθητές ηλεκτροψεκασμού είναι μικροσκοπικοί κινητήρες πυραύλων, περίπου στο μέγεθος μιας δεκάρας. Χρησιμοποιούν ηλεκτρικά πεδία για να φορτίσουν σωματίδια σε ένα υγρό προωθητικό και στη συνέχεια να εκτοξεύουν αυτά τα σωματίδια στο διάστημα, δημιουργώντας ώθηση.

Αυτοί οι προωθητήρες είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στην κατανάλωση καυσίμου και είναι κατάλληλοι για αργούς, ακριβείς ελιγμούς. Για παράδειγμα, μπορούν να σπρώξουν αργά ένα διαστημικό σκάφος σε μεγάλα διαπλανητικά ταξίδια ενώ καταναλώνουν πολύ λίγα καύσιμα.

Οι χημικοί προωθητές εξυπηρετούν διαφορετικό σκοπό. Παρέχουν ισχυρές εκρήξεις ώσης που επιτρέπουν στα διαστημόπλοια να επιταχύνουν γρήγορα, να επιβραδύνουν, να αναρριχηθούν, να κατέβουν ή να αλλάξουν θέση.

Εντοπίζοντας ένα προωθητικό ικανό να τροφοδοτεί και τα δύο συστήματα, οι ερευνητές του MIT πιστεύουν ότι μπορούν να επεκτείνουν σημαντικά τις δυνατότητες των μικρών δορυφόρων.

Η ομάδα αυτή τη στιγμή συνεργάζεται με τη NASA για την αποστολή Green Propulsion Dual Mode, έναν κυβισμό μεγέθους χαρτοφύλακα εξοπλισμένο με έναν χημικό προωθητή και τέσσερις προωθητές ηλεκτροψεκασμού. Όλοι τους θα αντλούν καύσιμα από μια ενιαία δεξαμενή. Η αποστολή θα είναι η πρώτη προσπάθεια δοκιμής αυτού του τύπου συστήματος πρόωσης διπλής λειτουργίας σε ένα μικρό διαστημόπλοιο.

Εάν πετύχει, η τεχνολογία θα μπορούσε να βοηθήσει τους μικρούς δορυφόρους να μετακινηθούν πέρα ​​από την τροχιά της Γης.

«Μπορούμε να στείλουμε CubeSats στον Άρη ή στη ζώνη αστεροειδών, όπου μπορούν να ταξιδεύουν αργά χρησιμοποιώντας προωθητές ηλεκτροψεκασμού», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Paulo Lozano, ο Miguel Aleman Velasco Καθηγητής Αεροναυτικής και Αστροναυτικής στο MIT. “Στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τους χημικούς προωθητές σας για να μετακινηθείτε γρήγορα και να αναζητήσετε ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. Μπορείτε να έχετε πολύ μεγαλύτερη ευελιξία για να κάνετε περισσότερα.”

Γιατί είναι σημαντικά τα ιοντικά υγρά προωθητικά;

Το εργαστήριο της Lozano αναπτύσσει, κατασκευάζει και δοκιμάζει συστήματα πρόωσης ηλεκτροψεκασμού για δορυφόρους με μέγεθος από ένα κουτί γεύματος έως μια μικρή χειραποσκευή.

Σε σύγκριση με μεγαλύτερα διαστημόπλοια, αυτοί οι συμπαγείς δορυφόροι είναι πολύ λιγότερο δαπανηροί στην εκτόξευση. Αλλά το μικρό τους μέγεθος απαιτεί ένα εξίσου συμπαγές σύστημα πρόωσης.

Οι προωθητές ηλεκτροψεκασμού ταιριάζουν καλά σε αυτή την απαίτηση. Οι συσκευές που δημιουργήθηκαν στο εργαστήριο του Lozano έχουν το μέγεθος μιας μικρογραφίας. Κάθε προωθητής βρίσκεται στην κορυφή μιας δεξαμενής που περιέχει ένα ιοντικό υγρό προωθητικό. Όταν συνδέεται σε μπαταρία, εφαρμόζεται ηλεκτρικό φορτίο στα ιόντα του υγρού. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια στη συνέχεια εκτοξεύονται μέσω μικρών ανοιγμάτων στον προωθητή, δημιουργώντας ώθηση.

Την τελευταία δεκαετία, ο όμιλος Lozano έχει δοκιμάσει πολλά σχέδια υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και με διαφορετικά ιοντικά υγρά καύσιμα.

«Τα ιοντικά υγρά είναι πολύ σταθερά και μπορούν να υπάρχουν ακόμη και ως υγρό στο διάστημα, κάτι που πολλά υλικά δεν μπορούν», λέει ο Bruno. “Και είναι βασικά μια θάλασσα ιόντων, γι’ αυτό βασίζουμε την τεχνολογία μας γύρω από αυτό, ώστε να μπορούμε να τραβήξουμε αυτά τα ιόντα σε έναν ηλεκτροψεκασμό.”

Οι ερευνητές του MIT έχουν επίσης συνεργαστεί με την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ, η οποία έχει αναπτύξει ένα νέο ιοντικό υγρό καύσιμο γνωστό ως Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic Propellant (ASCENT). Το προωθητικό αρχικά σχεδιάστηκε για συστήματα χημικής πρόωσης.

Το ASCENT αναπτύχθηκε ως μια ασφαλέστερη εναλλακτική λύση στην υδραζίνη, ένα εξαιρετικά τοξικό καύσιμο που χρησιμοποιείται παραδοσιακά σε πολλά συστήματα πρόωσης διαστημικών σκαφών.

«Το ASCENT μπορεί να είναι ένα ιοντικό υγρό μείγμα», λέει ο Bruno. “Και είπαμε, γεια, αυτό είναι το υλικό που χρησιμοποιούμε συνήθως. Θεωρητικά, θα πρέπει να λειτουργεί. Ας δούμε πώς.”

Δοκιμή ASCENT σε προωθητές ηλεκτροψεκασμού

Για να αξιολογήσουν το καύσιμο, ο Bruno, ο Lozano και ο πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT Matthew Corrado διεξήγαγαν μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας τον προωθητή ηλεκτροψεκασμού που τροφοδοτείται από το ASCENT.

Κάθε προωθητής ήταν συνδεδεμένος σε μια μικρή δεξαμενή σε σχήμα κύβου περίπου στο μέγεθος ενός τούβλου Lego. Οι ερευνητές γέμισαν κάθε δεξαμενή με ένα γραμμάριο ASCENT, ένα υγρό με ιξώδες παρόμοιο με το παιδικό λάδι.

Οι προωθητές ήταν τοποθετημένοι σε αντίθετες πλευρές του CubeSat, το οποίο στηρίχθηκε σε μια προσαρμοσμένη πλατφόρμα δοκιμής μαγνητικής αιώρησης γνωστή ως maglev. Η εγκατάσταση βρίσκεται μέσα σε έναν μεγάλο θάλαμο κενού που μπορεί να αναδημιουργήσει συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που βρίσκονται στο διάστημα.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, οι ερευνητές διαφοροποίησαν εξ αποστάσεως την τάση που παρέχεται στους προωθητές. Ο ηλεκτροψεκασμός που προέκυψε παρήγαγε αρκετή ενέργεια για να περιστρέψει το CubeSat σαν αιωρούμενη κορυφή.

Μετρώντας την ώθηση που παράγεται και λειτουργώντας τους προωθητές συνεχώς για έως και 100 ώρες, η ομάδα ήταν σε θέση να αξιολογήσει την απόδοση και την απόδοση του καυσίμου.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το ASCENT τροφοδότησε με επιτυχία τους προωθητές ηλεκτροψεκασμού. Το καύσιμο είναι ισοδύναμο με τα συμβατικά ιοντικά υγρά προωθητικά που χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης.

«Σε σύγκριση με το τυπικό προωθητικό ηλεκτροψεκασμού μας, το ASCENT μπορεί να προσφέρει παρόμοια απόδοση όσον αφορά την ώθηση», είπε ο Bruno. “Τώρα που γνωρίζουμε ότι οι προωθητές μας λειτουργούν με το ASCENT, μπορούμε να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε όλους τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να τους κάνουμε καλύτερους.”

Η αποστολή της NASA θα δοκιμάσει κοινές δεξαμενές καυσίμων στο διάστημα

Με το ASCENT να έχει πλέον αποδειχθεί ικανό να υποστηρίζει τόσο χημική όσο και ηλεκτρική πρόωση, οι ερευνητές οραματίζονται το μελλοντικό διαστημόπλοιο να φέρει μια ενιαία δεξαμενή καυσίμου για να τροφοδοτεί και τα δύο συστήματα.

Το concept θα αντιμετωπίσει σύντομα την πρώτη του δοκιμή σε πραγματικό κόσμο με την αποστολή Green Propulsion Dual Mode της NASA, η οποία έχει προγραμματιστεί για εκτόξευση τον Νοέμβριο.

«Είναι η πρώτη φορά που ένας δορυφόρος θα έχει κοινή δεξαμενή προωθητικού», είπε ο Λοζάνο

Πέρα από την εξερεύνηση στο βαθύ διάστημα, η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει τις αποστολές κοντά στη Γη. Ο Lozano επισημαίνει την παρακολούθηση του καιρού και του κλίματος ως πιθανή εφαρμογή.

«Πείτε ότι έρχεται μια καταιγίδα και θέλετε να δημιουργήσετε τον αστερισμό των μικρών δορυφόρων για να παρατηρήσετε ένα σημείο», λέει. “Μπορείτε να επιλέξετε να τα στέλνετε πιο γρήγορα ή πιο αργά ανάλογα με τη φύση των παρατηρήσεων. Και ο μόνος τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι εάν έχετε δύο συστήματα πρόωσης, κάτι που είναι πλέον δυνατό.”

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από τη NASA.