Współczesne życie nie byłoby możliwe bez satelitów. Wiele z naszych codziennych aktywności i używanych narzędzi zależy od urządzeń, które krążą wysoko ponad chmurami – od monitorowania pożarów lasów, wylesiania i temperatur powierzchni mórz, po dostęp do technologii mobilnych, takich jak 5G. Na orbicie okołoziemskiej robi się tłoczno m.in. dzięki miniaturowym i tańszym satelitom, w które inwestuje SpaceX czy OneWeb. Szacuje się, że w ciągu najbliższej dekady uruchamianych będzie ponad 2,5 tys. tego typu urządzeń rocznie. Dynamicznie rozwijający się rynek poszukuje nowych technologii, które pozwolą latać szybciej, taniej i wygodniej.
Obecnie małe i mikro satelity wynoszone są na orbitę najczęściej na pokładzie dużych rakiet nośnych. To rozwiązanie jest nie tylko kosztowne, ale również szkodliwe dla środowiska i wymagające specjalistycznej infrastruktury. Opracowanie mniejszych jednostek umożliwiłoby dostęp do przestrzeni kosmicznej większej liczbie producentów, otwierając ten rynek szerszemu gronu wyspecjalizowanych dostawców.
W ramach finansowanego przez UE projektu RRTB[i], kierowanego przez firmę Pangea Aerospace z siedzibą w Barcelonie, badano możliwości ograniczenia kosztów eksploatacji małych rakiet, mogących przenosić do 500 kilogramów ładunku. Kluczem do sukcesu jest opracowanie mikrowyrzutni, które mogłyby kilkukrotnie opuszczać ziemską atmosferę i bezpiecznie lądować. Wielokrotne wykorzystanie jednostki nośnej umożliwia bowiem obniżenie kosztów produkcyjnych, zmniejsza presję na środowisko oraz pozwala szybciej i częściej realizować loty.
Eksperci pracujący przy RRTB skupili się na pierwszym stopniu rakiety, znajdującym się u jej podstawy, który zapewnia większość ciągu bezpośrednio po wystrzeleniu, a następnie zostaje odłączony i lotem swobodnym opada na Ziemię. W wyniku tej operacji element najczęściej ląduje w oceanie i ulega uszkodzeniu. Jego odzyskanie, transport i ponowne użycie są bardzo kosztowne. Według Xaviera Llairó, współzałożyciela Pangea Aerospace, rozwiązanie tego problemu leży w konstrukcji rakiety: „Musimy znaleźć sposób na to, aby dolna sekcja rakiety mogła bezpiecznie wejść z powrotem w atmosferę ziemską, a następnie wylądować w bazie dokującej miejsca startu lub na pływającej barce”. W ramach badań zespół RRTP testował model małej rakiety w tunelu aerodynamicznym. Pierwsze wnioski okazały się zaskakujące i dotyczyły dyszy głównego silnika rakiety. Rezygnacja z klasycznego kształtu dzwonu na rzecz stożka umożliwiła lepsze odprowadzenia ciepła i obniżenie spalania paliwa.
„Zastosowana przez nas dysza aerospike ułatwia penetrację atmosfery nie tylko małym rakietom, ale także tym większym. To było nieoczekiwane odkrycie”. – wyjaśnia Llairó. – „Ponadto z powodzeniem wykorzystaliśmy do produkcji tego elementu techniki druku 3D, co pozwoliło obniżyć koszty projektowania i chłodzenia, które trzeba stosować przy tradycyjnych materiałach. Trwają również prace nad samym silnikiem. Ma on być napędzany paliwem opartym na metanie pochodzenia biologicznego”.
Podczas gdy RRTB skupiło się na możliwości ponownego wykorzystania poszczególnych komponentów rakiety, brytyjska firma lotnicza Orbex przygotowuje się do debiutu lekkiego, przyjaznego dla środowiska pojazdu własnej konstrukcji. W ramach finansowanego przez UE projektu PRIME w maju ubiegłego roku zaprezentowano prototyp 19-metrowej rakiety – pierwszej w Europie mikrowyrzutni pełnoorbitalnej dla małych satelitów.
Statek zaprojektowano tak, aby nadawał się do ponownego użycia poprzez odzyskanie części, które nie spalają się w atmosferze. Opracowana mikrowyrzutnia będzie wykorzystywać paliwo biopropanowe, powstające w produkcji biodiesla, który jest wytwarzany z zużytych olejów roślinnych. Po wymieszaniu z ciekłym tlenem uzyskuje się wysoce łatwopalną ciecz, która umożliwia obniżenie emisji dwutlenku węgla nawet o 96 proc. w porównaniu z podobnymi rozmiarami pojazdami nośnymi napędzanymi paliwami kopalnymi. Jak twierdzą konstruktorzy, Orbex Prime ma być najbardziej przyjaznym dla środowiska statkiem kosmicznym na świecie. Dzięki zastosowaniu włókna węglowego uzyskano blisko 30-procentową redukcję masy rakiety, dzięki czemu zwiększył się jej zasięg i wydajność.
Chris Lamrour, dyrektor generalny Orbex i koordynator zakończonego w 2022 roku projektu PRIME, ma nadzieję, że rakieta Prime będzie mogła odbyć swój pierwszy lot w tym roku. „Sprzedaliśmy już wiele miejsc startowych komercyjnym dostawcom satelitów, ale nie ogłosiliśmy jeszcze daty wystrzelenia pierwszej misji”. Firma dysponuje własnym kosmodromem w Sutherland, na północnym wybrzeżu Szkocji, skąd planuje wysyłać do 12 rakiet rocznie. Cały kompleks ma być neutralny klimatycznie. Wybór lokalizacji nie jest przypadkowy. W położonym niedaleko od portu Glasgow produkuje się najwięcej satelitów w całej Europie, a region stawia na przemysł kosmiczny. Według przedstawicieli Orbex to optymalna konfiguracja dla rozwoju branży i szansa dla nowych firm, którzy chcą być znaczącymi graczami w eksploracji przestrzeni kosmicznej.
[i] W ramach projektu powstanie przełomowy system odzyskiwania rakiet, który pozwoli na ponowne wykorzystanie pierwszego stopnia mikrorakiety nośnej MESO. Badany jest szereg zagadnień, obejmujący powrót rakiety nośnej do atmosfery, lądowanie pierwszego stopnia rakiety przy pomocy nowatorskich silników elektrycznych, a także opracowanie wytrzymałej konstrukcji i zbiorników kriogenicznych, które będą nadawały się do wielokrotnego wykorzystania.
Artykuł został pierwotnie opublikowany w Horizon, czasopiśmie UE poświęconym badaniom i innowacjom: https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/horizon-magazine/booming-satellite-market-micro-rockets-are-next-big-thing.
Oprac. Rafał Stepnowski.
Zdjęcie główne: Wade Allen | Unsplash.
