Parányi ionhajtóműveket fejlesztenek

Hamarosan mikrochip méretű hajtóművek navigálhatják a legkisebb műholdakat. Az MIT repülési és űrrepülési karának docense, Paulo Lozano által tervezett eszköz egyáltalán nem hasonlít a mai vaskos, csövekkel, szelepekkel telezsúfolt és jókora üzemanyag tartályokkal ellátott hajtóművekre.

Lozano megoldása első pillantásra inkább egy számítógép chipnek tűnik. A kis kocka egyik oldalán 500 mikroszkopikus tüske helyezkedik el, amik elektromosság hatására parányi ionsugarakat bocsátanak ki, együttes erejükkel pedig képesek meghajtani egy cipődoboz méretű műholdat. "Annyira kicsik, hogy számos hajtóművet helyezhetünk el egyetlen járművön" - mondta Lozano, hozzátéve, hogy több mikrohajtómű nem csupán a pályamódosításokhoz, de akár a kanyarodáshoz és fordulásokhoz is elegendő tolóerőt biztosíthat.


A két fémes kocka valójában egy üzemanyag tárolóval ellátott ionhajtómű-pár Lozano laboratóriumában
Jelenleg több mint két tucat kis műhold, úgynevezett CubeSat kering a Föld körül, köztük a magyar Masat 1. Ezek nem sokkal nagyobbak egy Rubik-kockánál, súlyuk is csak másfél kilogramm körül mozog, ezért "nanoműholdakként" kategorizálják, szemben a hagyományos Föld-megfigyelő behemótokkal. Ezek a pici műholdak kis költségvetéssel megvalósíthatók, fellövésük is viszonylag egyszerű, kis súlyuknak köszönhetően egy rakéta jó pár ilyen kockát vihet magával másodlagos rakományként.

A nanoműholdaknak azonban nincs hajtóművük, amint eljutnak a világűrbe passzívan keringenek pályájukon. Hogy ne gyarapítsák a bolygó körüli űrszemét halmot, ezért egészen alacsony pályára állítják ezeket, visszatérésüket ugyanis csak a légköri súrlódás segíti. Magasabb pályákra állítva sokkal tovább tartana a süllyedésük, hosszú időn át csak űrszemétként körözve a hulladéktól amúgy is zsúfolt alacsony földkörüli pályán, veszélyt jelentve az aktív műholdakra.


A hajtóművek teljesítményét ezzel a mágnesesen lebegtetett CubeSat prototípussal tesztelték az űrbeli körülményeket szimuláló vákuum-kamrában
Ha sikerülne hajtóműrendszerekkel ellátni a nanoműholdakat, az megoldaná az űrszemét problémáját, a CubeSatok alacsonyabb pályára navigálhatnák magukat, hogy idővel eléghessenek a légkörben, vagy galaktikus szemétgyűjtőként jobblétre szenderült műholdakat is magukkal húzhatnának, a hagyományos hajtóműrendszerek azonban túl nagynak bizonyultak számukra, túlságosan kis teret hagyva az elektronikának és a kommunikációs eszközöknek.

Ezzel szemben Lozano mikrohajtómű megoldása alig növeli a műhold össztömegét. A szerkezet lyukacsos fémrétegekből tevődik össze, a legfelső rétegen helyezkedik el egymástól egyforma távolságban az 500 fémhegy. A rétegek alatt egy parányi folyadéktároló kapott helyet, magában rejtve az eszköz működésének kulcsát, szabadon lebegő ionok egy "folyékony plazmáját". A hajtómű működését Lozano egy fa tápanyagfelvételével szemléltette: A fa a talajból a vizet egyre kisebb és kisebb pórusok sorozatán szívja fel, először a gyökereken, majd a törzsén, végül a leveleken át, ahol a napfény gázként elpárologtatja a vizet. Lozano mikrohajtóműve egy hasonló kapilláris folyamattal működik. A fémrétegeket egyre kisebb és kisebb pórusokkal látták el, melyek passzívan szívják az ionos folyadékot a chipen át a fémhegyek csúcsaihoz.


A hajtómű különböző alkatrészei, amikből összeáll az 1x1 centiméteres, mindössze 2 milliméter vastag mikrohajtómű
A chip tetején egy aranybevonatú lapot helyeztek el, majd elektromos feszültséget alkalmazva létrehoztak egy elektromos mezőt a lap és a hajtómű csúcsai között. Ennek hatására ionsugarak szabadulnak ki a hegyekből, tolóerőt hozva létre. A kutatók eredményei szerint az 500 csúcsból álló tömb 50 mikronewton erőt generál, ez a Földön csupán egy papírdarabka megmozdításához elegendő, súlytalanságban azonban már egy 1 kilogramm súlyú műholdat is képes meghajtani. "Normál esetben a hajtóműrendszereknek jelentős infrastruktúrájuk van, hajtóanyag vezetékekkel, csövekkel és komplex energiaszabályzó rendszerekkel" - mondta Timothy Graves, a kaliforniai Aerospace Corporation elektromos hajtómű és plazma tudományi vezetője. "Ezen felül a bélyegméret könnyebbé teszi a megvalósítást más, nagyobb rendszerekkel szemben"

A kutatók egy kis műholdat számos mikrohajtóművel látnának el, amiket különböző irányokba állítanának. Amikor a műholdnak le kell térnie pályájáról a fedélzeti nappanelek átmenetileg a mikrohajtóművekhez koncentrálják az energiát, aktiválva a hajtóműveket. Lozano szerint a jövőben nagyobb műholdaknál is alkalmazható lehet a technika.