Egy nemrég Föld körüli pályán tesztelt új ionhajtómű megfizethetőbbé teheti a több ezer műholdat számláló, a SpaceX Starlinkjéhez hasonló műhold-konstellációkat, és az eddiginél hosszabb élettartamot biztosíthat a műholdaknak. A megszokott xenon vagy kripton helyett jóddal működő hajtóművet most először tesztelték a világűrben, egy 2020 novemberében indított műholdon.

A tesztsorozat eredményei ma délután jelentek meg a Nature-ben, és ezek alapján a jódot használó ionhajtómű nemcsak hogy sikeresen üzemelt, hanem jobb hatásfokot is produkált, mint a nagyobb és komplexebb berendezést igénylő, xenon hajtóanyagot alkalmazó társai.

Az ionhajtóművek napelemekkel gyűjtött elektromos energia segítségével nagy sebességre felgyorsított, a hajtóanyagukból származó ionok kibocsátása révén mozgatják az űreszközöket. Első bevetésükre 1964-ben került sor, amikor az amerikai űrügynökség SERT-1 műholdja igazolta, hogy az ionhajtóművek a világűrben is képesek működni. A gazdaságos hajtóműveket ezután elkezdték műholdakon, majd az 1990-es évektől kezdve a Naprendszert kutató űrszondákon is alkalmazni, kezdve a NASA Deep Space 1 kisbolygó- és üstököskutató szondájával. Az eddigi ionhajtóművek nagyrészt költséges xenont használtak hajtóanyagként, ami nyomás alatt lévő tartályokat, ezáltal nagyobb térfogatú és tömegű hajtóművet igényel.

Az ionhajtóművek révén az egyszerűbb műholdak is képesek arra, hogy a földi irányítók utasítására manővereket végezzenek, csatlakozzanak műhold-konstellációkhoz, elkerüljék a más műholdakkal vagy űrszeméttel való ütközéseket, és pályájuk stabilizálásával kompenzálják a Föld felső légkörének lassító hatását. Emellett az ionhajtóművek arra is alkalmasak, hogy a küldetésük végét elérő műholdakat beléptessék a Föld légkörébe, megelőzve ezzel az újabb űrszemét létrejöttét.

Egyszerűbb és hatékonyabb a xenonos hajtóműnél

Dmytro Rafalskyi, a ThrustMe hajtóműveket gyártó vállalat mérnöke és kollégái a 20 kilogrammos, kínai Long March 6 hordozórakéta által felküldött Beihangkongshi-1 CubeSat műholdon helyezték el teszthajtóművüket. A Föld körüli pályán elvégzett kísérletekkel bebizonyították, hogy az olcsóbb, könnyen előállítható és szilárd anyagként tárolható jód a világűrben uralkodó körülmények között is működőképes alternatívája lehet a xenonnak. A műhold ionhajtóművel végzett manővereit nem csak a szakemberek által mért, hanem független, az Egyesült Államok űrparancsnokságának (USSPACECOM) megfigyelőrendszere által gyűjtött adatok is megerősítik.

A mérnökök által földi laboratóriumban végzett tesztek szerint az új ionhajtómű ugyanakkora befektetett energia mellett lényegesen hatékonyabb lehet a xenont használókhoz képest. A jód ionizációja ugyanis a xenonnál könnyebben elérhető, és a kétatomos jódmolekula nagyobb atomtömeggel rendelkezik, ami Rafalskyi és munkatársai szerint fontos szempont az általában energiaszűkében lévő műholdak és űrszondák esetében. Az új ionhajtómű által generált erő 0,8 millinewton, aminek eléréséhez 55 watt energiát igényel, a jód alkalmazásának köszönhetően pedig tömege csupán 1,2 kilogramm, és egy nagyjából 10x10x10 centiméteres kocka térfogatát foglalja el.

A teszthajtóműben a jódmolekulák egy tartályában tárolódnak, szilárd halmazállapotban. A hajtómű beindítása előtt egy fűtőelem felmelegíti a tartályt, ami a jód szublimációjához vezet. Ezután a gáz egy másik részlegbe kerül, ahol egy rádióantenna segítségével ionizálódik, és plazma képződik belőle. Végül a pozitív töltésű ionokat egy töltött, kettős rácsrendszerben felgyorsítják, azok pedig nagy sebességgel távoznak a hajtóműből, ellenkező irányú gyorsítást generálva.

A 480 kilométer magasan keringő műhold hajtóművével a szakemberek 2021 februárjáig 11 tesztindítást végeztek el. Az egyes begyújtások 80-90 percig tartottak, és egyenként 200-400 méternyi, összességében 3 kilométernyi változáshoz vezettek a műhold pályájában. Az első két manőverrel sikeresen demonstrálták, hogy a műhold képes megtartani a pályáját a légkör fékező hatásával szemben, a későbbi begyújtások pedig űrszemét-elkerülő manővereket szimuláltak.

Néhány hátrányával együtt is forradalmi újítás lehet műhold konstellációk számára

Egy a tanulmánnyal a Nature-ben párhuzamosan megjelent véleménycikkben Igor Levchenko, a szingapúri Nanyang Technológiai Egyetem és Kateryna Bazaka, a canberrai Ausztrál Nemzeti Egyetem kutatói úgy vélik, hogy a tesztek igazolták az új hajtómű működését, és ez az egyszerű, de hatékony rendszer forradalmi újítás lehet a műholdas konstellációk esetében: csak a SpaceX Starlink műholdjai által használt hajtóanyag kriptonról jódra cserélése több millió dolláros megtakarításokhoz vezethet.

A jód alkalmazásának persze nem csak előnyei vannak. Egyrészt a jód sok különböző anyaggal érintkezve korróziót okozhat, ezért a teszthajtómű néhány komponensén kerámiát kellett használni. Másrészt az indítás és világűrbeli üzemelés során a berendezést érő rezgések a szilárd jód széttöréséhez vezethetnek. Ezt úgy sikerült elkerülni, hogy a jódot porózus, alumínium-oxid tartalmú kerámiába helyezték el, folyékony halmazállapotban, ami lehűlve megszilárdult, és így biztonságosan lehetett tárolni. Levchenko és Bazaka egy harmadik problémát is felvetnek, mégpedig a jód szublimációjához szükséges melegítés viszonylag hosszú, 10 perces időtartamát, ami megakadályozhatja, hogy a műhold azonnali manővereket hajtson végre, például ha űrszeméttel való ütközést kell elkerülni.

Rafalskyi és kollégái szerint világűrbeli tesztjeik bizonyítják, hogy a kisebb és egyszerűbb rendszert igénylő jód képes lehet a xenon kiváltására, és annál jobb teljesítményt is adhat. Ezért úgy vélik, hogy a nagyobb műholdak vagy műhold-konstellációk sokat nyernének a jódalapú ionhajtóművel. A kisebb műholdak számára talán még fontosabb lehet az innováció, mert új képességekkel ruházza fel őket a világűrben való manőverezéshez.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: