Poslední dobou se nám nějak roztrhl pytel s hromadnými starty cubesatů, což mě přimělo zase jednou dokončit rozpracovaný článek. V  minulém článku o cubesatech jsme si přiblížili možnosti jejich nasazení mimo oběžnou dráhu Země, při tom jsem zmínil jeden z možných (a zatím asi nejpropracovanější) pohonů této třídy satelitů. Dnes se blíže podíváme na další – občas poněkud exotické – možnosti jejich pohonu. Řekneme si i o možnostech startu cubesatů na oběžnou dráhu. Jakkoli se zatím často jedná pouze o více či méně propracované koncepty, všechny jsou ve svém jádru slibné a všechny mají potenciál umožnit cubesatům mnohem ambicióznější cesty než „jen“ k blízkozemním asteroidům.

Ionty stokrát jinak

Jednou z nejzajímavějších technologií se zabývá tým profesora Benjamina Longmire na  University of Michigan. Projekt se objevil na kikstarter.com, avšak cílovou částku se mu nepodařilo nasbírat. Doufejme, že na osud projektu to nebude mít fatální vliv, zatím tomu nic nenasvědčuje, laboratoř PEPL, která patří pod MIT, pracuje i na mnoha jiných variantách iontových motorů a všechny projekty jsou stále živé. Byť jde opět o iontový princip, jedná se o mnohem větší motor než je mikroiontový motor, zmiňovaný v minulém článku. Princip motoru nazvaného CAT (zkratka CubeSat Ambipolar Thruster) je mnohem bližší jeho dospělým bratříčkům, kteří dnes běžně fungují na palubě velkých sond.

Plyn (konkrétně vodní pára) je tu přes jemný filtr vstřikován do křemenné komory s otvorem na druhém konci. Plyn je následně ionizován pomocí heliconálních vln, v principu podobných  mikrovlnám známým z mikrovlnné trouby, jen s tím rozdílem, že magnetické pole tu směřuje podél antény omotané kolem komory. Takové uspořádání umožňuje mnohem efektivnější ohřev plazmatu. Lze tu vysledovat odkaz na působení profesora Longmire. Tento princip ohřevu plazmy byl původně vyvinut pro pohon VASIMR; profesor Longmire souběžně pracuje právě v týmu zabývajícím se motorem VASIMR. Ionty vzniklé v komoře jsou dále urychlovány permanentními magnety tvořícími magnetické trysky, které plazma udržují mimo stěny komory a směrují kladně nabité ionty ven spolu s elektrony přítomnými v plazmě. Magnetické pole urychluje pouze kladně nabité ionty, pak ale samozřejmě naproti tomu musí zpomalovat elektrony, intenzita urychlujícího magnetického pole je volena tak, aby elektrony nezastavilo, ale ponechalo jim právě tolik energie aby ještě opustily trysku. Vzhledem k tomu, že elektron má jen zlomek hmotnosti celého iontu, nehraje tu celkové snížení výkonu  zásadní roli. Specifický impuls motoru CAT je mezi 2000 a 5000 sekundami, s tahem přibližně 0,2 miliNewtonů na Watt.

Různých konstrukcí miniaturních iontových motorů v poslední době určitě existuje více. Rozhodně si nedělám nárok probrat tu podrobně všechny varianty iontových motorů vyvinutých nebo vyvíjených pro cubesaty; samozřejmě – pokud čtenáři projeví zájem, nevylučuji samostatný článek na toto téma. Teď bych raději upozornil na některé koncepty, které mě nejvíce zaujaly, a poukázal tak na potenciál, který se skrývá jak v nich, tak v samotných cubesatech.

Solární plachta na scéně

Přestože projekt Nanosail-D je určitě jeden z nejvěhlasnějších projektů na platformě cubesatů, takže i průměrný čtenář blogu Kosmonautix o něm jistě někdy slyšel, domnívám se, že je nezbytné jej v tomto textu alespoň znovu připomenout. Jednalo se o technologický demonstrátor, který neměl za úkol nic víc, než prokázat životaschopnost celé koncepce. Jakkoli průběh celé mise nebyl právě  ideální, svůj hlavní účel nakonec splnila. Všechny problémy se totiž týkaly samotného oddělení plachetnice z katapultovacího zařízení, k němuž za poněkud záhadných okolností došlo až o několik týdnů později, než se původně plánovalo. A to ani nemluvím o ztrátě prvního demonstrátoru díky selhání jednoho z prvních Falconů, což NASA připravilo o malé, leč zajímavé prvenství právě v oboru solárních plachetnic. Vše se však nakonec podařilo, a tak dnes o solárních plachetnicích, jak díky misi Nanosail-D, tak i díky japonskému Ikarosu a dalším nikdo nepochybuje. A nejen to, NASA dokonce na platformě cubesatů zvažuje návratovou misi k Phobosu, realizovanou pomocí sluneční plachty! Misi k Phobosu se hodlám v budoucnu blíže věnovat.

Raketový motor na vodu?

Na předchozí odstavce byl pozorný čtenář blogu Kosmonautix již víceméně připraven.  Ovšem nyní si představíme skutečnou exotiku, alespoň pokud se jedná o nejmenší satelity. Takovou, že ani v případě velkých misí dosud neopustila rýsovací prkna, byť se o ní uvažovalo již před desítkami let. Řeč je o elektrolytickém pohonu.

Principiálně se jedná o starý dobrý chemický motor, spalující kombinaci vodík-kyslík. Jenže složky paliva se neskladují odděleně, ale ve formě vody. Ta se na vodík a kyslík elektrolyticky rozloží až těsně před použitím. To umožňuje využít nejvýhřevnější duo bez problémů, které by jinak provázely jejich dlouhodobé skladování. Zdá se, že by to opravdu mohla být životaschopná alternativa, která je schopná překonat všechny případné potíže. Jediné, co ji limituje ve srovnání s elektrickými pohony, je výtoková rychlost spalin chemického motoru. Na druhou stranu je nezastupitelná tam, kde je požadavek na vysoký okamžitý tah. Specifický impuls těchto systémů je okolo 300 sekund.

Koncepcí se mimo jiné zabýval sám technologický ředitel NASA Mason Peck, který na toto téma minulý rok vydal článek. Jednou z nástrah, s nimiž se musel vypořádat, je například životnost niklových elektrod; tady však vypadá slibně jednoduchý přístup k věci, spočívající ve snížení napětí. V takovém případě alespoň první testy, v nichž si pokusné zařízení odpracovalo srovnatelnou dobu jako při reálné misi, neukázaly žádné zásadní opotřebení. Vzájemné oddělení plynných a kapalných látek v průběhu elektrolýzy by zase mohla zajistit rotace satelitu vytvářející umělou gravitaci. Pro rozklad 1,5 gramu vody na obě složky paliva potřebuje systém uvažovaný NASA 90 minut v případě, že se satelit nachází u Země, se vzrůstající vzdáleností od Slunce se čas bude samozřejmě prodlužovat. Motor je schopen 3U cubeatu poskytnout delta-v okolo 1000 m za sekundu, což umožňuje satelitu umístěnému na GTO opustit sféru vlivu Země.

Další, kdo se tímto principem zabývá, je společnost Tethers Unlimited. Jedná se o společnost kladoucí si za cíl vývoj a nasazení pokročilých technologií za účelem dramatického snižování nákladů, a to zdaleka nejen v kosmu. Držme takovým palce. Jejich koncept počítá s vektorováním tahu pomocí kloubu, na němž se bude celé zařízení otáčet. Stejně tak možnost natáčet celý systém umožní efektivní sběr slunečního záření pomocí panelů, na cubesat poměrně rozměrných. Celý systém váží 1.9 kilogramu, ale Tethers Unlimited počítá s jeho výrazným snížením během dalšího vývoje. Se systémem se počítá například pro průzkum Měsíce, stahování nefunkčních satelitů z oběžné dráhy, dlouhodobé snímkování ze stabilní orbity nebo jako s testovací platformou.

Solární termální pohon

To všechno je sice hezké, ale všechny tyto technologie mají jednu nectnost: je jí poměrně velká složitost, to u misí, kde hraje roli každý dolar, není právě nejlepší vlastnost. Vážně by to nešlo ještě jednodušeji? Možná ano, solární termální pohon je další z technologií, na které si dosud velké satelity netroufly. Zato  mladí univerzitní konstruktéři  se ho zřejmě zase tolik nebojí. V podstatě se jedná o opravdu velmi jednoduchý princip. Pracovní látka, kterou může být v podstatě cokoli, je hnána do ohniska optické soustavy, která do ní koncentruje sluneční záření. Jak se pracovní látka zahřívá, zvyšuje svůj tlak a její odvod tryskou motoru vytváří tah. Hlavní výhodou by mělo být zjednodušení konstrukce, hlavně ve srovnání s většinou elektro-iontových koncepcí. Na první pohled je proto poněkud překvapivé, že koncept holandské technologické univerzity  v Delftu počítá pouze se specifickým impulzem 300 sekund. Lze ovšem předpokládat, že limitním faktorem je tu tepelná odolnost materiálu tvořícího pracovní komoru, což opět limituje výstupní rychlost pracovní látky a tím pádem i specifický impuls.

Duální pohon

Také jste si všimli, že každý způsob pohonu má svá pro a proti? Samozřejmě, tak už to nejen v kosmické technologii bývá. Ven z toho vede, kromě vylepšování stávajících konstrukcí, ještě cesta kombinování různých technologií. A právě o tom uvažuje NASA v jednom z projektů týkajících se misí s cubesaty v hlavní roli. Duální mód v podání NASA znamená kombinaci elektrického (iontového) pohonu, s vysokým specifickým impulsem, ale nízkým okamžitým tahem na jedné straně a termálním pohonem s větším tahem, ale nízkou účinností, tj. malým specifickým impulsem na straně druhé.   Celému zařízení pak slouží jako zdroj energie radioizotopový generátor. S termálním pohonem se počítá pro rychlejší manévry, jako brzdění u cílového tělesa, ale pro meziplanetární část dráhy by sloužila část s elektrickým pohonem. Podle některých zdrojů se s touto konstrukcí počítá pro misi k Jupiterovu měsíci Europě.

Už aby to bylo, a rovnou bych hlasoval (ne že bych na to měl nějaký vliv) pro vyslání dvou takových hraček – druhá by mohla navštívit Enceladus. Ale pokud se zase posadíme zpátky na Zem, nabízí se tu jedna důležitá otázka, a sice zda bude dostatek paliva pro radioizotopové generátory, na nichž je tento systém závislý. Vzhledem k nedávno ohlášenému obnovení výroby Plutonia 238 si snad můžeme trochu optimismu dovolit.

Klasika je klasika

Po všech těch exotických principech si na závěr dáme něco (téměř) důvěrně známého. A sice chemický motor na jednosložkové palivo. K čemu se vedle zmiňovaných extravýkonných pohonů může hodit něco natolik konzervativního? No přece všude tam, kde je od počátku doména chemických motorů, tedy kdykoli je potřeba vysoký okamžitý výkon bez ohledu na efektivitu. Typicky se nejspíš bude jednat o vstup na oběžnou dráhu malých těles, případně starty se vzorky z povrchu asteroidů, zejména pro úplně nejlevnější mise, kam se nehodí elektrolytický motor. Ale aby to nebyla zase tak úplná klasika, není tento motor poháněn známým hydrazinem, nýbrž aktuálně vyvíjenou látkou AF-M315E (nebo také HAN, sumární vzorec H4N2O4). Volba na tuto pohonnou látku nejspíše padla díky toxickým vlastnostem hydrazinu, které jej diskvalifikují především pro studentské projekty. Mimoto si tak tento motor od společnosti Busek co. Inc může připsat přízvisko green – zelený. Motor poskytuje tah 500 milinewtonů při specifickém impulsu 230 sekund.

Pro ty, kteří by raději konzervativní hydrazin, jsou k dispozici i podobné koncepce pracující s hydrazinem. Pak stojí za zmínku, že AF-M315E dává motorům zcela srovnatelný nebo vyšší specifický impuls. Ve světle tohoto faktu nevidím pro hydrazin žádný důvod.

Společnost Busek, která má popsaného drobečka na svědomí, se vývoji špičkových technologií věnuje již dlouhou dobu. Vývojem iontových motorů se zabývá od roku 1985. V tomto oboru se mimo jiné zaměřuje i na využití nanomateriálů. Dále spolupracuje také s agenturou Darpa v programu Phoenix na znovuzprovoznění existujících satelitů a zabývá se mnohými dalšími projekty v oboru špičkových – zejména kosmických – technologií; jejich kompletní výčet by vydal na samostatný článek.

 Na orbitu jako VIP

Až do teď jsme tak nějak mlčky předpokládali, že náš cubesat máme i s libovolným pohonem alespoň na LEO (Low Earth Orbit), většinou tím způsobem, jakým to bylo původně zamýšleno – jako dodatečné zatížení.  Od té doby se však z těchto satelitů pomalu ale jistě stává samostatná dynamicky se vyvíjející kategorie, ruku v ruce s tím se pak mění požadavky pro starty na specifické dráhy, případně ve vhodném startovacím okně. A protože by bylo škoda takový potenciál nevyužít, NASA zadala kontrakt na nosič určený speciálně pro vypouštění cubesatů. Ale proč jako VIP? Jako základ systému totiž poslouží tzv. VIP tryskáč Gulfstream III. Pod letounem bude upevněna nosná raketa GOLauncher 2, která dokončí navedení na oběžnou dráhu. Pokud Vám to něco připomíná, pak vězte, že toto uspořádání není nic nového: podobně je vypouštěna raketa Pegasus, ale i „orbiter“ Virgin Galactic, nebo plánovaný podstatně větší, leč ohledně způsobu vypouštění nosiče opět stejný projekt Stratolaunch.

Pro cubesaty takový způsob startu znamená totéž co pro velké satelity, totiž výhodu svobodného výběru sklonu oběžné dráhy, menší závislost na počasí a také pro tuto třídu satelitů dosud nevídanou volnost ve výběru termínu startu. Systém má nosnost až 45 kilogramů do výšky 740 Km. Kontrakt získala firma Generation Orbit, která sice zrovna nehýří technickými podrobnostmi, ale proslýchá se, že GOLauncher 2 bude dvoustupňový nosič s hybridním pohonem, tzn. kombinace tuhého a kapalného paliva. Zní to věrohodně, vždyť  GOLauncher 1 používá kombinaci LOX-Parafin. Tak se těšme na specializovaný nosič pro univerzitní a možná i amatérské anebo technologicky průkopnické mise. Než se to stane realitou, zatím se pokochejte roztomilým propagačním videem firmy Generation Orbit nebo vizualizacemi jejích plánů.

Zdá se, že některým technologiím, jejichž nasazení často brání pouhá opatrnost, mohou cestičku do běžnější praxe účinně prošlapat právě cubesaty. Snad se pak dočkáme technologického vývoje se zajímavými, ať už malými nebo velkými misemi do vzdálených končin sluneční soustavy. Popusťme trochu uzdu své fantazii, jen maličko, co třeba návratová mise na některý ledový měsíc s landerem poháněným elektrolytickým motorem, který si palivo na zpáteční cestu načerpá na místě? Ale je tu i potenciál technologického pokroku, který veškerou průkopnickou činnost provází již tradičně. Fólie firmy Dupont, používané pro výrobu slunečních plachet, se už dnes uplatňují ve zdravotnictví, automobilovém a elektrotechnickém průmyslu zejména pro své izolační vlastnosti. Ultratenké sluneční články osvědčené na sondě Ikaros se jistě také dočkají dalšího vývoje. O jejich přednostech v případě nasazení v běžném životě snad není nutno nikoho přesvědčovat. Během rozvoje zmíněných technologií lze jistě očekávat další aplikace. Možná se v nepříliš vzdálené budoucnosti skutečně máme na co těšit.

Zdroje informací:
http://pepl.engin.umich.edu/
http://www.gizmag.com/
http://www.nasa.gov/
http://www.gizmag.com/
http://www.busek.com/
http://www.iafastro.net/
http://www.generationorbit.com/
http://nextbigfuture.com/
http://www.tethers.com/
http://www.lr.tudelft.nl/
http://news.softpedia.com/
http://www.nasa.gov/
http://www.citizensinspace.org/
http://vtm.e15.cz/

Zdroje obrázků:
http://images.gizmag.com/…/kickstarter-university-michigan-cubesat-plasma-engine-13.jpg
http://images.gizmag.com/…/kickstarter-university-michigan-cubesat-plasma-engine-4.jpg
http://images.gizmag.com/gallery_lrg/kickstarter-university-michigan-cubesat-plasma-engine.jpg
http://apod.nasa.gov/apod/image/1101/NanoSailD2048.jpg
http://3.bp.blogspot.com/…/AAAAAAAARHs/3CBn6kuJhQU/s1600/electrocubesat.png
http://www.lr.tudelft.nl/fileadmin/Faculteit/LR/Organisatie…/img/Delfi_prop_module.JPG
http://www.nasa.gov/sites/default/files/2013-jerred.jpg?itok=dBX6JHZe
http://www.busek.com/index_htm_files/3156.png
http://www.generationorbit.com/gallery/staging.jpg
http://www.generationorbit.com/gallery/goHanger-02_Comp.jpg
http://www.generationorbit.com/gallery/gotakeoff_CECIL.jpg