Satelity zasilane metalem stałym mogłyby pewnego dnia użyć kosmicznych śmieci jako paliwa

Zdjęcie: Orbit Fab

(CNN) - Kosmos jest coraz bardziej zatłoczony – człowiek umieścił już ponad 20,000 satelitów na orbicie od początku epoki kosmicznej, i już planuje się wystrzelić tysiące więcej w przeciągu następnych kilku lat.

Niektóre z owych satelitów już spłonęły w atmosferze lub spadły z powrotem na Ziemię, w wielu przypadkach do oceanu, ale ponad 13,000 nadal się unosi nad Ziemią. Ponad jedna piąta z nich już nie działa i po prostu orbituje jako kosmiczne śmieci. Przez ostatnie parę dekad, setki owych martwych satelitów zderzały się, tworząc miliony odłamków.

To prowadzi do ciągłego ryzyka kolizji aktywnych satelitów i dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej – problem tak poważny, że niektóre sieci monitoringu na całym świecie uważnie obserwują tysiące większych obiektów, żeby w odpowiednim momencie przesunąć pojazd kosmiczny z drogi, kiedy jest taka potrzeba. Wzrastające zagrożenie kosmicznymi odłamkami wzywa zarówno do większego manewrowania na orbicie i redukcję nadmiaru śmieci. Brytyjska firma Magdrive twierdzi, że pomoże z obydwoma, dzięki nowemu systemowi napędowemu, który ma zostać wystrzelony w kosmos po raz pierwszy w późniejszej części tego roku i będzie napędzany metalem stałym.

„Chcieliśmy zbudować coś, co naprawdę mogłoby poruszyć igłę dla ludzkości w przemyśle kosmicznym i pozwolić nam wspiąć się po szczeblach drabiny zostania cywilizacją przemierzającą kosmos” mówi Mark Stokes, współzałożyciel Magdrive w 2019 roku. Jego zdaniem, użycie systemu napędzanym metalem stałym mógłby uczynić satelity dziesięciokrotnie bardziej manewrowalnymi, jednocześnie też redukując masę związaną z napędzaniem dziesięciokrotnie.

Magdrive pracuje nad trzema wersjami kosmicznych odrzutek, a ponieważ działają one na metalu stałym, któregoś dnia mogłyby być napędzane kosmicznymi śmieciami znalezionymi bezpośrednio na orbicie, zamieniając zagrożenie na źródło paliwa.

‘Najlepsze z obu światów’

Satelity potrzebują systemów odrzutowych z różnych powodów, takich jak przejście na inną orbitę, pogodzenie się z oporem atmosferycznym, który mógłby zdestabilizować orbitę, którą przemierzają, ominięcie odłamków, oraz ewentualne zejście z orbity.

Większość systemów odrzutowych w satelitach obecnie jest chemiczna albo elektryczna, ale według Stokesa, obywa te systemy mają swoje wady: „Chemiczne odrzutki mają bardzo wysoką siłę ciągu, ale ich efektywność – bądź mile na galon, jak kto woli – jest bardzo uboga” mówi. „Z drugiej strony, elektryczne systemy odrzutowe często współcześnie zupełnie odmienne charakterystyki. Mają bardzo niską siłę ciągu, ale doskonałą efektywność, doskonałe mile na galon”.

Największe ambicje ludzkości związanymi z kosmiczną gospodarką, wliczając w to kopanie asteroid, ogromne skupiska satelitów i budowanie stacji kosmicznych na orbicie są, zdaniem Stokesa, jak na razie nie do osiągnięcia, gdyż owe systemy odrzutowe wymagają kompromisu pomiędzy mocą a wydajnością – decyzja, która powinna zostać podjęta nawet przed wysłaniem satelity.

„Budujemy system pierwszy w swoim rodzaju, który posiada najlepsze z obu światów”, dodaje Stokes. „To elektryczne odrzutki, ale posiadające znaczą poprawę siły ciągu i znaczną redukcję dźwięku i masy”.

Pierwsza inkarnacja systemu Magdrive – o nazwie Warlock – ma zostać wystrzelona na orbitę w Lipcu 2025 roku. Działa poprzez wytwarzanie energii z użyciem zamieszczonych na pokładzie paneli słonecznych, podobnie jak współczesne elektryczne systemy odrzutowe. Ale podczas gdy współczesne systemy elektryczne używają energii do jonizacji lub detonacji gazu pod ciśnieniem – często toksycznego środka zwanego hydrazyną – Magdrive używa jej do jonizacji metalu stałego.

„To ma wiele zalet, możecie to sobie wyobrazić”, mówi Stokes. Metal jest bardzo zbity, dzięki czemu będzie zajmował mniej miejsca na pokładzie niż zbiornik zawierający gaz pod ciśnieniem. To, dodaje, uczyniłoby życie lepszym dla producentów satelitów, którzy uważają zbiorniki pod ciśnieniem za „ból głowy” i które są trudne do uruchomienia i mogą nawet doprowadzić do eksplozji w wyniku uszkodzeń, podczas gdy metal jest bezwładny i z czasem nie dochodzi do jego degradacji. Na razie Magdrive używa miedzi, wybranej, ponieważ jest ona dosyć tania i powszechnie dostępna, chociaż dowolny metal by zadziałał, według Stokesa.

Po detonacji, metal zostaje zmieniony w ekstremalnie gorącą i gęstą plazmę, bądź gaz naładowany elektrycznie. „Co z tego wychodzi to wysoce energetyczna plazma miedziowa wylatująca z tyłu pędnika”, mówi dalej Stokes, co przemieszcza pędnik w odwrotnym kierunku.

Zasilany złomem?

Jak na razie, system nie ma możliwości ponownego zasilania. Jednak w bardziej odległej przyszłości, Stokes wierzy, że system mógłby pozyskać paliwo z istniejących już kosmicznych śmieci, poprzez zbieranie niedziałających satelitów dla metalu w celu użycia ich jako materiału pędnego – chociaż na razie, plany te są tylko hipotetyczne. „Benefitem tego jest, że będziemy w stanie zamknąć pętlę na gospodarce nowej epoki kosmicznej poprzez użycie zasobów już się tam znajdujących”, mówi Stokes.

To by uczyniło Magdrive, dodaje Stokes, jedynym systemem odrzutowym który nie musi zabierać ze sobą paliwa za każdym razem. „Obecnie, każdy satelita musi mieć ze sobą własny materiał pędny z Ziemi, i to wygląda jak zbudowanie nowego pociągu za każdym razem po opuszczeniu dworca”, powiada.

Firma dąży do swojego pierwszego komercyjnego wydania już w przyszłym roku i dąży do klientów o szerokiej randze zapotrzebowań: „Budujemy standaryzowany sprzęt, który może zmieścić na pokładzie każdego satelitę – a tym samym każdą osobę w całym przemyśle kosmicznym”, wyjaśnia Stokes. „To dotyczy także różnorodności w rodzajach aplikacji, od obserwacji Ziemi do usług satelitarnych służących do komunikacji”, powiada i mogą być one używane na satelitach o jakiejkolwiek wadze od 10 kilogramów (22 funty) aż do 400 kilogramów (880 funtów).

Znaczące wyzwania

Według MinKwana Kima, nadzwyczajnego profesora Astronautyki na Uniwersytecie Southampton, w Wielkiej Brytanii, który miał związek z projektami badawczymi i współpracował z Magdrive, użycie metalu stałego jako paliwa oferuje uproszczone przechowywanie i przekazywanie w porównaniu do materiałów pędnych bazujących na gazie lub cieczy. Pozwala to na proste projektowanie szczególnie odpowiednie dla masowej produkcji, stwarzając tym wyraźną ścieżkę do przyszłych mega-konstelacji, wymagających produkcję satelitów na większą skalę.

„Jednakże, użycie metalu jako materiału pędnego przedstawia wyraźne wyzwanie: zanieczyszczenie powierzchni, szczególnie dla paneli słonecznych i systemów optycznych”, dodaje. Ponieważ metalowa plazma powstaje podczas operacji, może łatwo osadzać się na powierzchniach, potencjalnie wpływając na ogólne działanie pojazdu kosmicznego.

Stokes mówi, że system Magdrive, paliwo metalowe, jest konsumowane całkowicie podczas reakcji, ale wtedy rekombinuje się w coś, co nazywa „rozproszonym materiałem obojętnym”, który jego zdaniem niesie ze sobą tylko niewielkie ryzyko zanieczyszczenia pobliskich powierzchni ze względu na wyjściową prędkość cząstek – „nie należy się tym za bardzo przejmować, bowiem nie dostanie się to na inne komponenty lub na inne satelity”.

Zapewnienie pewnego i ciągłego generowania siły ciągu, dodaje Kim, niesie ze sobą kolejne wyzwanie, szczególnie dla precyzyjnego manewrowania. Cykle ogrzewania i chłodzenia, przez które przechodzi metalowe paliwo podczas generowania siły ciągu, mogą zmienić swoją krystaliczną strukturę atomową, wpływając na jego działanie jako środek odrzutowy. W celu zachowania równomiernego ciągu wyjściowego, potrzebne by były precyzyjny monitoring i system kontrolny, dodając złożoność do systemu.

Wobec używania kosmicznych śmieci jako paliwa, Kim twierdzi, że jest to teoretycznie możliwe, ale występują znaczące wyzwania techniczne i regulacyjne. Pierwsze polega na tym, że choć kosmiczne śmieci mogą wydawać się darmowym zasobem, na mocy Traktatu ONZ o Przestrzeni Kosmicznej (OST) własność obiektów wystrzelonych w kosmos pozostaje niezmieniona, nawet kiedy staną się śmieciami. To oznacza, że wymagane jest zezwolenie od oryginalnego właściciela, zanim nawet dojdzie do recyklingu satelity. Dodatkowo, niektóre satelity zawierają wrażliwe dane bądź technologie własnościowe, przez co właściciele mogą być niechętni do udzielenia dostępu. I wreszcie, państwo wystrzeliwujące satelitę ponosi odpowiedzialność za jakiekolwiek wypadki spowodowane przez wykorzystanego satelitę, dodając kolejną warstwę legalnych kłopotów.

Są też problemy praktyczne, mówi Kim: „Zepsute satelity są nie do sterowania i często się przewracają, przez co uzyskanie ich jest wyjątkowo trudne. Przechwycenie i zabezpieczenie ich wymaga kompleksowego manewrowania, technologii, która nadal jest na etapach początkowych”, mówi. Kim dodaje, że owe satelity są zrobione nie tylko z metalu, ale też z materiałów takich jak krzem i polimery, które są problemem ze względu na jakość i czystość, które bezpośrednio wpływają na wydajność siły ciągu, więc bez wyraźnej kontroli nad składem zbieranego metalu, osiągnięcie wyraźnej i przewidywalnej siły ciągu byłaby trudna.

„Wskutek tego, choć metal z kosmicznych śmieci mógłby być odpowiedni dla nieprecyzyjnych manewrów, takich jak zejście z orbity, mało prawdopodobne jest, żeby nadawały się do precyzyjnego odrzutu”.