Rakety používají široké spektrum různých motorů, které spalují nejrůznější druhy paliva – od pevných směsí, přes kyslík s vodíkem, kyslík s leteckým petrolejem, nebo nově metan s kyslíkem. Když se ale podíváme na možnosti pohonu družic ve vesmíru, zjistíme, že zdejší nabídka je poměrně chudá, protože se v drtivé většině případů používají deriváty hydrazinu. Což o to, omezená nabídka nemusí být vždy na škodu, ale mnohem horší je, že hydrazin je opravdu nebezpečný jak pro pozemní obsluhu, tak pro životní prostředí. Naštěstí však již několik let probíhá snaha o nalezení alternativy, která bude nejen bezpečnější, ale také účinnější. Družice, která novou směs otestuje, by mohla letět do vesmíru ještě letos na palubě Falconu Heavy.
Zdroj: https://www.nasa.gov
O misi STP-2, jsme na našem webu již psali, takže čtenáři už vědí, že při ní Falcon Heavy vynese velké množství malých družic, které rozveze na různé oběžné dráhy. Družic bude nejméně 25 a postupně bychom Vám chtěli představit ty nejzajímavější kousky – minulý článek jsme věnovali zkoušce nových atomových hodin a dnes se podíváme na projekt GPIM (Green Propellant Infusion Mission), jehož anglický název přesně vystihuje její účel – půjde o zkoušky „zeleného“, tedy ekologicky neškodného paliva.
Mise GPIM má za úkol nabídnout alternativu ke konvenčním chemickým pohonům, které by v budoucnu mohly využít připravované rakety nebo družice či kosmické lodě. Tankování nového paliva bude bezpečnější, rychlejší a dokonce i levnější. Na misi spolupracuje NASA se společností Ball Aerospace & Technologies Corp. z coloradského Boulderu. Společnou snahou je optimalizovat výkon systému, zlepšit palivovou účinnost při snížení rizik spojených s hydrazinem a jeho deriváty.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org
Látkou, která se bude na misi GPIM testovat, je dusičnan hydroxylamonný označovaný také jako AF-M315E. Jedná se o anorganickou sloučeninu se vzorcem NH3OHNO3. Jde v podstatě o sůl hydroxylaminu a kyseliny dusičné. V čisté formě má za pokojové teploty tuhé skupenství, chová se hygroskopicky (absorbuje vodu) a jde o bezbarvou substanci.
Toto palivo s nízkou toxicitou vyvinula výzkumná laboratoř amerického letectva na Edwardsově základně v Kalifornii. Tato látka by v budoucnu mohla pomoci vytlačit hydrazin. NASA totiž chce i do budoucna dodržovat přísné předpisy spojené se skladováním, transportem a používáním raketových paliv. Bez výjimky všechna raketová paliva potřebují určitou úroveň bezpečnostních opatření, aby jejich použití nebylo nebezpečné. AF-M315E ve směru skladování i manipulace nabízí jednoduchou a bezpečnou alternativu a oproti hydrazinu má nižší toxicitu. Ve výsledku tak jeho použití nebude obnášet tolik bezpečnostních opatření, což by mělo zkrátit předstartovní přípravy a odrazit se ve snížení cen.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org
AF-M315E však není jen bezpečné palivo. Podle dosavadních testů by mělo zlepšit i celkový výkon pohonného systému. Oproti hydrazinu se může pochlubit vyšší hustotou, takže se ho do stejně velké nádrže vejde více. Aby toho nebylo málo, tak nová látka disponuje vyšším specifickým impulsem – zjednodušeně řečeno jde o to, jak velký tah dokáže dané množství paliva vygenerovat. Výhodou je i nízký bod tání, takže družice s tímto palivem nebude muset vynakládat velké množství energie pro udržení optimální teploty v nádrži.
Technologický demonstrátor GPIM poletí do vesmíru jako malá družice postavená firmou Ball Aerospace & Technologies Corp. Během testovací fáze provedou výzkumníci hned několik zážehů, které budou mít za úkol změnit oběžnou dráhu tělesa. Tím se ověří chování paliva během zážehů a jeho účinnost při změnách sklonu oběžné dráhy a jejím snižování. Celá mise má trvat zhruba dva měsíce a po jejím dokončení bude nejen látka AF-M315E, ale i příslušné nádrže, ventily a trysky, certifikovány pro použití na projektech NASA i soukromých. Kosmický průmysl tak získá inovativní a efektivní řešení pro budoucí mise, které budou moci využít „zelené“ palivo.
Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://en.wikipedia.org/
Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gpim_updated.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gpimintegration.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/800px-Hydroxylammonium-nitrate-2D.png
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Hydroxylammonium-nitrate-3D-balls.png
„má za pokojové teploty tuhé skupenství”.
Teplota topenia 48 C, hustota 1,84.
Pre družice sa musí používať kvapalné palivo, motory na tuhé palivo sú jednorázové, dajú sa použiť iba raz a teda pre družice nie sú zrovna vhodné, tu sa vyžaduje na jednom motore viacej zážehov a musia mať regulovaťeľnýá ťah a ten motor na pevné palivo majú iba obmedzený.
Ak sa to má použiť ako kvapalné palivo umožňujúce skladovanie v nádržiach a čerpanie bude nutné palivo priebežne zohrievať nad 48 C, čo bude pomerne dosť náročné na energiu.
To som teda zvedavý ako to zvládnu. Chcelo by to viac info !
pb
Údajně tato nevýhoda není tak hrozná, a výrazně jí kompenzuje jeho výhoda – možnost ponechat palivo dlouhou dobu ve velmi nízké teplotě, aniž by mu to jakkoli vadilo.
Nicméně, většina budoucích sond by si měla vystačit s iontovým motorem. Význam tohoto paliva je tedy omezený, a to hlavně na sondy, které potřebují vysoký tah motoru, hlavně pro motorické přistání, případně i start, může jít o Měsíc, nebo o měsice dalších planet. A pak samozřejmě jde o menší sondy, které potřebují co nejjednodušší hardware, což iontový motor zrovna není. Zajímalo by mne mimochodem, jestli by se takový motor na AF-M315E dal miniaturizovat na úroveň cubesatu. Takový cubesat by pak mohl odhazovat spotřebované „kostky“, a dosáhnout zajímavé zrychlení.
Myslíte příliš pozemsky. Proč by zrovna pokojová teplota měla dělit látky na pevné a kapalné?
Hydrazin: bod tání 3C, dHfus 3.0 kcal/mol
Hydroxyalmmonium nitrát: bod tání 44C, dHfus 2.6 kcal/mol
Tepelnou kapacitu jsem nehledal, nicméně z hlediska vesmírného prostoru obě látky tají za velice blízkých teplot.
Refs:
https://doi.org/10.1021/ja01175a007
https://doi.org/10.1080/07370658908012562
pbpitko: ano, to co píšete o motorech na tuhá paliva je správně, ale s tématem článku to nesouvisí, protože zde nejde o motor na tuhé palivo. Jde o motor na kapalné palivo, které se možná na zemi bude plnit do nádrží v pevném stavu, ale tam veškerá podobnost končí.
Průběžně něco ohřívat na 48°C je obvykle energeticky náročné na zemi, kde vám okolní prostředí látku neustále ochlazuje. Udržovat na konstantní teplotě (mimochodem pořád docela nízké) něco ve vakuu je energeticky úplně jinde, protože vakuum je velice dobrý izolant a jediné ztráty jsou sáláním.
A protože na družicích obvykle vzniká celkem dost odpadního tepla z provozu elektroniky (nemluvě o dopadajícím slunečním záření) je mnohdy větším problémem spíš to celé uchladit, než udržet v teple.
To máte sice pravdu, ale komplikace to je. Tohle je typicky palivo pro manévrovací trysky. Takže musíte udržet teplotu několika, někdy i desítek trysek, ventilů, přívodních potrubí a nádrží bezpečně nad 50 stupňů. Jak vám to někde zamrzne, jste v háji.
Ano, a totéž platí i pro Hydrazin, ale souhlasím, že udržet vše zmíněné bezpečně nad 3°C je o něco málo menší komplikace, než udržet to bezpečně nad 50°C.
Taky se místo hydrazinu často používá asymetrický dimethylhydrazin nebo jejich směs. Ten má teplotu tání kolem -50.
Teplota tání 48° nejspíš bude vcelku irelevantní, protože dusičnan hydroxylaminu je zřejmě velmi dobře rozpustný ve vodě ( a pravděpodobně i v jiných energeticky bohatších rozpouštědlech) takže se nejspíš bude tankovat ve formě nějakého roztoku, který bude mít teplotu tuhnutí klidně i pod nulou.
Technická poznámka: anglickému výrazu hydroxylammonium nitrate je odpovídá český název dusičnan hydroxylamonný.
Dík, já se na ty vzorce díval a říkal si, to je nějaký divný, já bych to pojmenoval úplně jinak, tu sloučeninu, hold alma mater se nezapře 😀
A slovo nitráty ve mě budí vzpomínky na jiné látky, a tam jsem pro změnou kroutil hlavou a říkal si, z toxické kapaliny přešli rovnou na výbušniny… 🙂
tak např. N2O který používá SpaceShipTwo jako okysličovadlo je schopen samovolného rozkladu (82kJ/mol, energie „zápalu“ dost podstatně klesá s tlakem), což ostatně byl důvod proč to Virgin v 2007 bouchlo při zkoušce, přestože se testovalo jen proudění N2O (žádné palivo)…
Navíc většina motorů na kapalná paliva balancuje poměrně blízko hranice výbuchu, stačí pár desítek ms během startování motoru kdy se nepovede dodržet startovací sekvenci a najednou může zmizet podstatně víc než jen motor samotný 😉
Doporučuji přečíst „Ignition!: An informal history of liquid rocket propellants“ od J.D. Clark
https://library.sciencemadness.org/library/books/ignition.pdf
Knihá dává poměrně obsáhlé vysvětlení proč UDMH/NO4 jsou stále 1. volbou paliva pro některé motory
Nepleťte si prosím N2O (rajský plyn) s raketovým okysličovadlem NO2.
Díky, opraveno.
I pohony na THP čeká inovace. Před pár lety proběhla zmínka o vývoji rcs motoku na THP, kde by hoření aktivoval procházející el. proud, takže by se odstranila největší nevýhoda těchto typů pohonů a to nemožnost operativně řídit dobu zážehu. Když si vezmu, kdy jsem prvně zaznamenal info o palivu v dnešním článku a kdy se prvně otestuje v kosmu, tak rcs motorům na thp dávám min. 2 roky do nasazení, ne-li déle.
Předpokládám že výše uvedená látka se bude používat jako monopropelant. Docela by mě zajímalo, jak je na tom se specifickým impulsem hybridní motor s pevným palivem a kapalným okysličovadlem, jako je třeba ve SpaceShip 2.
Tato látka se dá využít v obou typech – jako jednosložkové nebo dvousložkové palivo.
Slibné,
děkuji za článek
Rádo se stalo.
Výborně, to je opravdu slibné. V případě použití jako jako bipropelantu bude asi okysličovadlem N2O4.
Máme nějaké informace o specifickém impulsu?
V případě jednosložkového paliva jsem dohledal hodnotu 257 s, přičemž hydrazin má v takovém případě 220 s.
Nevím, objevuje se to jako jedna z možných složek pevných paliv. Jestli by to fungovalo s N2O4 netuším, ale tahle družice to používá jen jako jednosložkové palivo.
HAN je sám oxidovadlo – má přebytek kyslíku:
(NH₃OH)NO₃ → N₂ + 2H₂O + O₂
Mimochodem na wikipedii píší, že AF-M315E je směs palivo/okysličovadlo.
Docela by mě zajímalo, zde změna paliva vychází z reálných potřeb kosmického průmyslu, nebo je to pouze reakce na hrozící regulace sloučenin na bázi hydrazinu ze strany EU a dalších institucí. Opravte mě, ale celková roční spotřeba pro sondy atd. musí být relativně malá. Vím, jaké zlo napáchal systém REACH. Přijde mi to jako další „nahrazování žárovek“.
EU nemá na NASA vliv a Spojené státy si v tomto směru jedou vlastní závod. Důvody jsou popsány v článku – hydrazin musí tankovat specialisté oblečení ve speciálních protichemických skafandrech a dodržovat celou řadu bezpečnostních procedur. Pokud tohle odpadne, bude možnost předstartovní přípravy urychlit a možná i trochu zlevnit.
Nejen předstartovní – když přistane X-37B, tak k němu snad také musí nejdřív obsluha v chemických oblecích právě kvůli hydrazinu.
Jinak EU možná vliv trochu má, protože dost satelitů startujících z EU (nebo jejich chemických pohonů) je americké výroby.
Když jsem psal komentář, měl jsem v hlavě tento článek: http://spacenews.com/hydrazine-ban-could-cost-europes-space-industry-billions/
Něco jiného bude vyvíjet palivo, protože chci (přinese mi to reálné benefity) a něco jiného, když musím (ochrana před budoucím zdražením stávajících paliv z důvodu regulací). Argumenty Priya Fernando mohou být účelové, ale není špatné znát pohled „druhé strany“.
Hydrazin u X-37 a jeho vypouštění v protichemických oblecích vyvolává u neinformovaných jedinců přesvědčení, že se jedná o nukleární zbraň. Obleky totiž díky své neznalosti považují za protiatomové. Pokud nebudou alespoň tyto konspirační teorie díky novému palivu i to je úspěch.
A k reálným benefitům může patřit i reklamní prohlášení provozovatele telekomunikační družice, že jeho družice nepoužívá jedovaté a ekologicky nebezpečné palivo.
No, je to asi jen taková reklamně – politická akce jak vyhovět aktivistům, připomíná mi to jak jeden čas vystavovali na veletrzích IT ekopočítače. To eko znamenalo, že třeba kryty notebooků byly vyrobeny s bambusu. Ale pokud ten specifický impuls je větší, to samozřejmě význam má. Možná že tedy vedlejší účinek je vydáván za ten hlavní:-)) Jo, marketing je věda… na oblbování, převážně, jak se zdá.
Pokud to má na zemi bod tání, někde mezi čokoládou a voskem, dovolím si jednu kacířskou myšlenku. Možná by mohli skladovat palivo externě v nábojích. A do malé tlakové nádoby si vždy vsadit jeden náboj paliva, ten rozehřát a spotřebovat.
Nevím jak moc je ve vesmíru problém s mechanickými stroji, tedy s něčím hýbat odněkud někam. Ale zase by to ušetřilo problém s velikostí nádrží na palivo. A teď už se možná pouštím do velkého Sci-fi, ale teoreticky by mohlo dotankování satelitu probíhat tak, že k němu přiletí vesmírný náklaďák a akorát vymění cartridge s palivem.
Ty náboje nejsou moc dobrý nápad. Tahal byste zbytečně další hmotu – plášť těch nábojů.
Trošičku mi ten nápad připomíná termonukleární Orion. Ale ten měl v plánu za sebe odhazovat jaderné bomby.
viz. https://kosmonautix.cz/2012/12/nove-typy-pohonu-pro-kosmicke-lode/orion/
dusičnan hydroxylamonný je zrejne ekologickejší ako hydrazín ale prospešný určite nebude.
Našťastie ako píše Petr Kasan, v družiciach paliva skutočne stačí oproti 1. stupňu iba zlomok, navyše sa bude používať iba ďaleko od zeme kde nemôže škodiť a vo vákuu a v prítomnosti slnečného vetra a rôzneho žiarenia sa bude pomerne rýchlo rozkladať.
pb
Ano, ale.
To palivo, co skonci v sondach sa niekde musi vyrobit, kym sa sonda natankuje, sa niekde musi uskladnit. Z vyroby sa musi transportovat na kozmodrom, tam natankovat a v pripade neuspesneho letu (take sme mali za posledny rok snad 4) to cele opat padne na zem. Nie vzdy musi palivo zhoriet.
Navyse India to stale pcha aj do prvych stupnov PSLV, pokial tomu spravne rozumiem. A tie padaju nazad na zem bez toho aby zhoreli.
Nejen Indie. Na hydrazin a příbuzné látky létají i Protony, nebo čínské rakety Dlouhý pochod.
Ten oranžový BFRC kouř nad těmi městečky mě nepřestává udivovat, a to jsou odhozené stupně z regulerních startů.
Nejako som mal za to, ze tie nove generacie dlheho pochodu uz hydrazin na prvom stupni nepouzivaju.
ventYl:
Nemýlite sa. Novo vyvinuté rakety CZ-5, CZ-6, CZ-7, CZ-11 už nepoužívajú hypergolické palivá.
Tak vzhledem k nízkému ISP (relativně) se to nehodí na nic jiného než na orientační trysky. A je potřeba neustále všechny prvky palivového systému udržovat na teplotě 50+ stupňů. A navíc je to pořád jedovaté. Samozřejmě o parník méně něž hydrazin, ale i tak.
V rámci BFR bude muset SpaceX vyvinout systém dlouhodobého skladování kapalného kyslíku a methanu. To je podle mě ta správná cesta k netoxickému a efektivnímu palivu pro kosmické lodě.
Ano, SpaceX bude muset uchovat palivo řadu měsíců, tj. vyvinout spolehlivý systém pro regulaci teploty v nádržích, ale určitě to není jediná správná cesta. Palivo skladované v pevném skupenství, které by nepotřebovalo drahé nádrže, ale nejvýš jen tenký obal z termoizolační folie, to by otevíralo úplně jiné možnosti. Po vynesení na LEO by se k sondě připevnily bloky paliva o hmotnosti mnoha tun, a těmi by se postupně „přikládalo do kotle“, aniž by sonda potřebovala vícero nádrží, motorů atd. Mohla by tak dosáhnout docela solidní rychlost.
Pár poznámek:
Podle wikipedie je AF-M315E směs palivo/okysličovadlo:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Green_Propellant_Infusion_Mission
Isp samotného HAN (hydroxylammonium nitrate) jsem rychlým hledáním nenašel, ale pro směsi palivo+okysličovadlo založené na HAN jsem našel Isp v rozmezí 200-270 s. Pro čistý HAN to bude zřejmě méně. Tyto směsi mají také mnohem nižší bod tání.
příklad:
SHP: (NH₃OH)NO₃ + NH₄NO₃ + CH₃OH + H₂O
Isp: 276s
bod tání: ≤ -30°C
https://mhi.co.jp/technology/review/pdf/e484/e484044.pdf
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19960048008.pdf