Att utveckla nya drivmedel för satelliter för att ersätta giftigt hydrazin skulle göra uppskjutning och hantering av satelliter säkrare, men det kräver också att nuvarande system störs, enligt forskare.

När antalet satelliter stiger, så kommer mängden bränsle vi använder för att lansera dem. Och att komma in i omloppsbana är bara hälften av ekvationen. När en satellit väl är i position ovanför jorden behöver den en framdrivningsmetod för att säkerställa att den kan röra sig om det behövs, undvika rymdskräp, kompensera för luftmotstånd över tid, och till och med ta sig ur bana i slutet av sitt uppdrag.

Det nuvarande standarddrivmedlet för satelliter är hydrazinbaserat bränsle, som är mycket giftig. Exponering för höga nivåer av hydrazin kan orsaka en mängd hälsoproblem, inklusive skador på levern, njurar och centrala nervsystemet. Om hydrazin spills medan en satellit fortfarande är på marken, dess våldsamma och explosiva karaktär kan bli ett allmänt säkerhetsproblem.

Att förbereda en hydrazindriven satellit för rymden är en farlig uppgift som kräver särskilda försiktighetsåtgärder för alla inblandade, inklusive rymddräktsliknande kläder som säkerställer, om något skulle gå fel, de personer som hanterade bränslet skulle inte andas in gasen själv. "De ser lite ut som en Michelin-man, sade Dr Norbert Frischauf, en partner på rymdkonsultföretaget SpaceTec Partners i Belgien.

Så det är ingen överraskning att ingenjörer letar efter nya, renare sätt att skjuta upp och driva satelliter som använder giftfria bränslen istället. "Hydrazin är ganska otäckt att arbeta med ur ett hälso- och säkerhetsperspektiv, så vi ser ett mycket större intresse för den här typen av drivmedel, sa Erikas Kneižys, Chief Design Officer på NanoAvionics, en tillverkare av rymdfarkoster baserad i Europa och USA.

Under 2011, Europeiska kemikaliemyndigheten lade till hydrazin i sin lista över "mycket oroande ämnen", vilket innebär att dess användning snart kan begränsas.

CubeSats

NanoAvionics är specialiserat på teknik för nanosatelliter, inklusive CubeSats, som är miniatyrsatelliter gjorda av 10 cm kubformade enheter, vanligtvis byggd med hyllplanskomponenter och väger cirka 1 kg vardera. När mindre satelliter som dessa blir vanligare – NanoAvionics säger att det har skett en 300 % ökning av små satellituppskjutningar mellan 2016 och 2020 – kommer efterfrågan på rena drivmedel som passar dem sannolikt att öka.

"Det fanns i princip inga produkter när man tittade på CubeSat-marknaden och när man tittade särskilt på (kemisk) framdrivning med (rent bränsle), " sa Kneižys. "Så vi har sett den här nischen och börjat jobba på den."

Genom ett projekt med titeln EPSS, NanoAvionics har utvecklat ett mindre skadligt drivmedel baserat på ammoniumdinitramid, eller ADN, en förening som består av kväve, syre, och väte, speciellt för små satelliter. Systemet har integrerats i en pilotsatellit och har genomgått en demonstration i omloppsbana.

Det nya systemet är vad som kallas monopropellant, som fungerar genom att passera bränslet över en katalysator som får det att sönderdelas, producerar värme och gaser som driver fram rymdfarkosten. Andra system använder ett bipropellant, där två vätskor hålls åtskilda och vanligtvis antänds vid blandning.

Att använda ett bidrivmedel ökar risken under tillverkningen, säger Kneižys, eftersom de två ämnena av misstag kan komma i kontakt och antändas innan de är tänkta. "I vår monopropellant måste du gå mil för att se till att det brinner, så det är relativt godartat och stabilt jämfört med (de flesta) bidrivmedelssystem, sa Kneižys.

Men det är inte bara mindre satelliter som kan dra nytta av giftfria drivmedel.

HyproGEO, ett projekt koordinerat av flygföretaget Airbus, har också utvecklat ett giftfritt framdrivningssystem, denna gång med fokus på satelliter i geostationär omloppsbana runt jorden. kretsar vid 36, 000 km, dessa satelliter verkar stanna på en fast punkt ovanför jordens yta och används vanligtvis för saker som kommunikation och sändningar.

"För att komma upp dit, det tar ganska mycket energi, " säger Dr Frischauf på SpaceTec Partners, medlem i HyproGEO-konsortiet.

Just nu, att energin till största delen tillhandahålls av hydrazinbaserade drivmedel. Men HyproGEO har utvecklat ett hybrid framdrivningssystem som använder väteperoxid istället. Bränslet, som är 98 % väteperoxid – jämfört med den ungefär 6 % lösningen du skulle använda för att bleka ditt hår – är mycket sur, men ändå mindre riskabelt att arbeta med än hydrazin. Det bryts också ner till syre och vatten, undvika utsläpp av ångor som är skadliga för människor.

Geostationära satelliter är designade för att hålla ett decennium eller längre, så drivmedlet, som också används för att manövrera dem när de väl är i omloppsbana, måste vara lika robust. "Du måste se till att den fortfarande kommer att vara igång efter 15 år, så det borde vara ett enkelt system, för om det är komplicerat finns det alltid en risk att något går sönder, sade Dr Frischauf.

Hybrid

Lösningen HyproGEO kom fram till var att använda hybrid framdrivning, vilket innebär att väteperoxiden förs över en katalysator för att producera mycket varmt syre såväl som vattenånga. Det syret kan ge framdrivningen av sig själv, eller det kan användas för att antända ett annat ämne för en extra boost. "När du kontrollerar flödet av syre, du kan kontrollera motorns dragkraft, sade Dr Frischauf.

Teamet utvecklade framgångsrikt en testmotor för att lagra det nya drivmedlet, visade att det bröts ner som förväntat, och designade sedan en raketmotor med bränslet. Sedan det arbetet avslutades 2018, Det norska försvarsföretaget Nammo har använt hybridmotorn HyproGEO för att skjuta upp en raket 107 km från jordens yta på bara tre minuter, en tidsskala som är typisk för suborbitala raketer som använder traditionella framdrivningssystem.

Att använda dessa nya drivmedel gynnar inte bara de människor som arbetar med de nuvarande giftiga bränslena, det gör hela infrastrukturen mer effektiv och billigare också. Kneižys säger att EPSS-systemet designat av NanoAvionics kostar ungefär en tredjedel av liknande produkter som använder traditionella drivmedel.

Med alla dessa fördelar, vad är det som håller dessa nya drivmedel tillbaka? För en, hybridframdrivningssystem har traditionellt sett inte kunnat utföra den långvariga avfyring som krävs för att sätta satelliter i geostationär omloppsbana, ett problem som HyproGEO lyckades övervinna.

Och industrin har redan rutiner inrättade för att hantera traditionella bränslen som hydrazin – att övergå till något nytt kräver att dessa system störs, sa doktor Frischauf. "Det tar alltid lite impulser, lite av en push för att se till att den nya tekniken kan segra."