Νέο υβριδικό σύστημα πρόωσης του MIT στέλνει μικροδορυφόρους στον Άρη

Σύνοψη

• Κοινή χρήση του ιοντικού προωθητικού ASCENT σε χημικούς (γρήγορη ώθηση) και ηλεκτρικούς (αποδοτική πλεύση) κινητήρες.
• Εφαρμογή σε CubeSats μεγέθους χαρτοφύλακα, εξαλείφοντας την ανάγκη για πολλαπλές ογκώδεις δεξαμενές.
• Επιτυχής λειτουργία 100 ωρών σε εργαστηριακό περιβάλλον κενού στο MIT.
• Δοκιμή σε πραγματικές συνθήκες μέσω της αποστολής Green Propulsion Dual Mode της NASA τον Νοέμβριο.

Η διαστημική εξερεύνηση βασιζόταν πάντοτε σε έναν αυστηρό συμβιβασμό μεγέθους, βάρους και διαθέσιμου χώρου, ειδικά όταν αναφερόμαστε στους μικροδορυφόρους (CubeSats). Αυτές οι συσκευές, οι οποίες πολλές φορές δεν ξεπερνούν το μέγεθος ενός χαρτοφύλακα ή ενός απλού κουτιού γεύματος, έχουν εκδημοκρατίσει την πρόσβαση στη Χαμηλή Γήινη Τροχιά. Ωστόσο, η εξερεύνηση του βαθύτερου Διαστήματος απαιτούσε κινητήρες και αποθέματα καυσίμων που απλώς δεν χωρούσαν σε τέτοιες διαστάσεις. Μια νέα τεχνολογική προσέγγιση από το τμήμα μηχανικών του MIT έρχεται να αλλάξει τα δεδομένα, προσφέροντας ένα διπλό, υβριδικό σύστημα πρόωσης.

Πώς λειτουργεί το νέο σύστημα πρόωσης του MIT για τους μικροδορυφόρους;

Το σύστημα του MIT χρησιμοποιεί ένα κοινό «πράσινο» ιοντικό υγρό καύσιμο, το ASCENT, για να τροφοδοτήσει ταυτόχρονα χημικούς κινητήρες (για ταχείες, ισχυρές μανούβρες) και ηλεκτρικούς κινητήρες electrospray (για αργές, ακριβείς και αποδοτικές κινήσεις). Αυτή η προσέγγιση καταργεί την ανάγκη για πολλαπλές δεξαμενές, επιτρέποντας σε CubeSats μεγέθους χαρτοφύλακα να αναλάβουν διαπλανητικές αποστολές, όπως ταξίδια στον Άρη.

Το δίλημμα της πρόωσης και το υγρό ASCENT

Ιστορικά, οι μηχανικοί αεροδιαστημικής αντιμετώπιζαν ένα βασικό δίλημμα. Οι χημικοί κινητήρες προσφέρουν τεράστια ώθηση για άμεσες αλλαγές πορείας ή ταχείες διορθώσεις υψομέτρου, αλλά εξαντλούν τα καύσιμα τους ταχύτατα. Από την άλλη, οι ηλεκτρικοί κινητήρες (όπως οι κινητήρες ιόντων ή electrospray) είναι εξαιρετικά αποδοτικοί, ικανοί να επιταχύνουν διαρκώς ένα σκάφος κατά τη διάρκεια ενός μακροχρόνιου διαπλανητικού ταξιδιού, αλλά αδυνατούν να παράσχουν άμεση, δραστική ώθηση όταν αυτή χρειάζεται.

Η εγκατάσταση και των δύο συστημάτων σε έναν μεγάλο δορυφόρο είναι εφικτή. Στους μικροδορυφόρους, όμως, η ύπαρξη δύο ξεχωριστών συστημάτων δεξαμενών για διαφορετικούς τύπους καυσίμου αποτελούσε απαγορευτικό παράγοντα.

Εδώ υπεισέρχεται η έρευνα του MIT. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε ένα «πράσινο» ιοντικό μονοπροωθητικό υγρό, γνωστό ως ASCENT. Το ASCENT αναπτύχθηκε αρχικά από την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ ως ένα ασφαλέστερο και λιγότερο τοξικό υποκατάστατο της υδραζίνης για χρήση σε συμβατικούς χημικούς κινητήρες. Η ανακάλυψη της ερευνητικής ομάδας έγκειται στην παρατήρηση ότι το συγκεκριμένο υγρό, λόγω της ιοντικής του φύσης, μπορεί να φορτιστεί μέσω ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί απρόσκοπτα και στους μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς κινητήρες ψεκασμού (electrospray thrusters).

Εργαστηριακές δοκιμές και διαστημική προσομοίωση

Οι κινητήρες electrospray έχουν μέγεθος όσο ένα νόμισμα και λειτουργούν με την εφαρμογή τάσης, η οποία επιταχύνει τα ιόντα του υγρού και τα εκτοξεύει στο διάστημα, δημιουργώντας ώθηση. Στα εργαστήρια του MIT, οι ερευνητές τοποθέτησαν τους μικροσκοπικούς αυτούς κινητήρες πάνω σε μια δεξαμενή διαστάσεων συγκρίσιμων με ένα τούβλο Lego. Γεμίζοντας τη δεξαμενή με το καύσιμο ASCENT, δοκίμασαν το σύστημα σε συνθήκες που προσομοιώνουν το κενό του διαστήματος.

Εφαρμόζοντας διαφορετικές διακυμάνσεις τάσης, η ομάδα κατάφερε να κάνει τη συστοιχία να περιστρέφεται ελεγχόμενα, αποδεικνύοντας ότι το καύσιμο ανταποκρίνεται με εξαιρετική ακρίβεια. Μάλιστα, η σταθερότητα του συστήματος επιβεβαιώθηκε μέσω μιας συνεχούς, αδιάλειπτης δοκιμής που διήρκεσε 100 ώρες, αποδεικνύοντας ότι το ASCENT λειτουργεί εξίσου αποδοτικά στους κινητήρες ψεκασμού, όπως ακριβώς και τα παραδοσιακά ιοντικά υγρά που προορίζονταν αποκλειστικά για αυτόν τον σκοπό.

Το βήμα προς τις διαπλανητικές πτήσεις

Η επίλυση αυτού του τεχνικού περιορισμού μειώνει κατακόρυφα το κόστος κατασκευής και λειτουργίας μικρών σκαφών για αποστολές στο βαθύ Διάστημα. Συνδυάζοντας τη χημική πρόωση (για γρήγορη διαφυγή από τη γήινη βαρύτητα ή την αποφυγή συγκρούσεων) με την ηλεκτρική (για αποδοτική πλεύση προς απομακρυσμένους πλανήτες), οι μικροδορυφόροι αποκτούν ικανότητες που μέχρι σήμερα ήταν αποκλειστικό προνόμιο ογκωδών και πανάκριβων διαστημοπλοίων. 

Η NASA έχει ήδη αναγνωρίσει τη σημασία του ευρήματος και συνεργάζεται με το MIT για την αποστολή Green Propulsion Dual Mode. Πρόκειται για έναν CubeSat μεγέθους χαρτοφύλακα, ο οποίος διαθέτει έναν χημικό κινητήρα και τέσσερις ηλεκτρικούς κινητήρες electrospray, συνδεδεμένους σε μία κοινή δεξαμενή. Η εκτόξευσή του προγραμματίζεται για τον προσεχή Νοέμβριο, αποτελώντας την πρώτη δοκιμή του συστήματος σε τροχιά.