Супутники зможуть використовувати космічне сміття як паливо

Космос стає все більш переповненим — з початку космічної ери людство вивело на орбіту понад 20 000 супутників, і найближчими роками планується запустити ще тисячі. Частина цих супутників уже згоріла в атмосфері або впала назад на Землю, часто в океан, але понад 13 000 все ще залишаються на орбіті. Близько п'ятої частини з них є неактивними, просто обертаючись як космічне сміття. За останні пару десятиліть сотні цих мертвих супутників зіткнулися, створивши мільйони уламків.

Це створює постійний ризик зіткнення для активних супутників та Міжнародної космічної станції — проблема настільки серйозна, що кілька мереж спостереження по всьому світу уважно стежать за тисячами більших об'єктів, щоб за потреби маневрувати космічними апаратами.

Британський стартап Magdrive стверджує, що може допомогти розв'язати цю проблему завдяки новій рушійній системі для космічних апаратів, яка вперше буде запущена в космос цього року і працюватиме на твердому металі.

«Ми хотіли створити щось, що дійсно змінить правила гри для людства в космічній галузі та дозволить нам піднятися на сходинку вище до становлення космічною цивілізацією», — каже Марк Стоукс, який заснував Magdrive у 2019 році. Він стверджує, що використання рушійної системи на твердому металі може зробити супутники в 10 разів маневренішими, одночасно зменшивши масу, відведену для рушійної системи, також у 10 разів.

Magdrive працює над трьома версіями своїх космічних двигунів, і оскільки вони працюють на твердому металі, вони одного дня можуть навіть отримувати живлення від космічного сміття, зібраного безпосередньо на орбіті, перетворюючи його із загрози на джерело палива.

«Найкраще з обох світів», — так характеризує свою систему Стоукс. Супутники потребують рушійних систем з низки причин, зокрема для переходу на іншу орбіту, для компенсації атмосферного опору, який дестабілізував би орбіту, на якій вони перебувають, для уникнення уламків і, зрештою, для деорбітації.

Більшість сучасних супутникових рушійних систем є або хімічними, або електричними, але, за словами Стоукса, обидва мають недоліки: «Хімічні рушійні системи мають дуже високу тягу, але їхня ефективність — або витрата палива, якщо хочете — дуже погана», — каже він. «З іншого боку, електричні рушійні системи мають протилежні характеристики. Вони мають дуже низьку тягу, але чудову ефективність, чудову економічність».

За словами Стоукса, найбільші амбіції людства щодо космічної економіки, включаючи видобуток астероїдів, великі сузір'я супутників і будівництво космічних станцій на орбіті, наразі недосяжні, оскільки ці рушійні системи вимагають компромісу між потужністю та ефективністю — рішення, яке має бути прийняте ще до запуску супутника.

«Ми будуємо першу у своєму роді систему, яка має найкращі якості обох світів», — додає він. «Це електрична рушійна система, але вона має на порядок більшу тягу з меншим об'ємом і масою».

Перше втілення системи Magdrive — під назвою Warlock — має бути виведене на орбіту в червні 2025 року. Воно працює, створюючи енергію за допомогою бортових сонячних панелей, як і нинішні електричні рушійні системи. Але якщо нинішні електричні системи використовують енергію для іонізації або детонації стисненого газу — часто це токсична хімічна речовина гідразин — Magdrive використовує її для іонізації твердого металу.

«Це має багато переваг, як ви можете собі уявити», — каже Стоукс. Метал дуже щільний, що означає, що він займає менше місця на борту, ніж бак зі стисненим газом. Це, додає він, полегшить життя виробникам супутників, які вважають баки під тиском «головним болем», оскільки з ними важко працювати, і вони можуть спричинити вибухи у разі розриву, тоді як метал інертний і не піддається деградації з часом. Поки що Magdrive використовує мідь, обрану через відносну дешевизну та широку доступність, хоча, за словами Стоукса, будь-який метал виконав би цю роботу.

Після детонації метал перетворюється на надзвичайно гарячу та щільну плазму або електрично заряджений газ. «Ви отримуєте цю високоенергетичну мідну плазму, що виходить із задньої частини двигуна», — продовжує Стоукс, що рухає двигун у протилежному напрямку.

Живлення від сміття?

Наразі система не підлягає дозаправленню. Однак у більш віддаленому майбутньому Стоукс вважає, що система могла б отримувати своє паливо з існуючого космічного сміття, збираючи мертві супутники для металу, який можна використовувати як пальне — хоча наразі цей план є лише гіпотетичним. «Перевага цього в тому, що ми зможемо замкнути цикл нової космічної економіки, використовуючи ресурси, які вже є там», — каже Стоукс.

Це зробило б Magdrive, додає Стоукс, єдиною рушійною системою, якій не потрібно брати з собою паливо щоразу. «Зараз кожен супутник повинен привозити своє паливо із Землі, і це як будувати новий потяг щоразу, коли ви виїжджаєте зі станції», — каже він.

Компанія прагне до першого комерційного розгортання вже наступного року і орієнтується на клієнтів з широким спектром потреб: «Ми будуємо стандартизований апаратний компонент, який може встановлюватися на борту будь-якого супутника — тож практично будь-хто в космічній галузі», — пояснює Стоукс. «Це включає різноманітні застосування, від спостереження за Землею до обслуговування супутників і комунікацій», — каже він, і може використовуватися на супутниках вагою від 10 кілограмів до 400 кілограмів.

Значні виклики

За словами МінКвана Кіма, доцента кафедри астронавтики Університету Саутгемптона у Великій Британії, який брав участь у дослідницьких проєктах і співпраці з Magdrive, використання твердого металевого палива пропонує спрощене зберігання та поводження порівняно з газоподібним або рідким паливом. Це дозволяє створити простий дизайн, який особливо підходить для масового виробництва, створюючи життєздатний шлях до майбутніх мега-сузір'їв, що вимагають масштабного виробництва супутників.

«Однак використання металевого палива створює значний виклик: забруднення поверхні, особливо для сонячних панелей та оптичних систем», — додає він. Оскільки під час роботи утворюється металева плазма, вона може легко осідати на поверхнях, потенційно впливаючи на загальну продуктивність космічного апарату.

Стоукс каже, що в системі Magdrive металеве паливо повністю споживається під час реакції, а потім рекомбінується в те, що він називає «розсіяним інертним матеріалом», який, за його словами, несе лише невеликий ризик забруднення навколишніх поверхонь через вихідну швидкість частинок — «нічого, про що варто надмірно турбуватися щодо потрапляння на інші компоненти чи на інші супутники».

Забезпечення надійного та стабільного створення тяги, додає Кім, становить ще один виклик, особливо для точного маневрування. Цикли нагрівання та охолодження, через які проходить металеве паливо під час генерації тяги, можуть змінювати його атомну кристалічну структуру, впливаючи на його ефективність як палива. Для підтримки однорідної вихідної тяги потрібна була б система точного моніторингу та контролю, що додає складності системі.

Що стосується використання космічного сміття як палива, Кім каже, що це теоретично можливо, але існують значні технічні та регуляторні виклики. Перший полягає в тому, що, хоча космічне сміття може здаватися безкоштовним ресурсом, Договір ООН про космічний простір (OST) стверджує, що право власності на об'єкти, запущені в космос, залишається незмінним, навіть якщо вони стають сміттям. Це означає, що перед переробкою супутника потрібен дозвіл від початкового власника. Крім того, деякі супутники містять конфіденційні дані або власні технології, що робить власників неохочими надавати доступ. Нарешті, країна запуску несе відповідальність за будь-які інциденти, спричинені переробленим супутником, що додає додатковий шар юридичної складності.

Потім є практичні проблеми, каже Кім: «Вилучені з експлуатації супутники неконтрольовані і часто обертаються, що робить їх вилучення надзвичайно складним. Захоплення та фіксація їх вимагає складного маневрування, технології, яка все ще перебуває в зародковому стані», — каже він. Кім додав, що ці супутники складаються не тільки з металу, а й з таких матеріалів, як кремній і полімери, і це проблема, тому що якість і чистота металевого палива безпосередньо впливають на ефективність тяги, тому без жорсткого контролю за складом зібраного металу досягнення надійної та передбачуваної тяги буде складним.

«В результаті, хоча метал, отриманий з космічного сміття, може підходити для маневрів без високої точності, таких як деорбітація, малоймовірно, що він буде життєздатним для високоточних рушійних систем».