Bezpośrednie zasilanie zwiększa sprawność napędu słonecznego statków kosmicznych
Napędy elektryczne są przyszłością pojazdów kosmicznych ze względu na zmniejszenie zapotrzebowania na ciężkie paliwo. Obecnie na rynku dostępne są zróżnicowane silniki elektryczne wykorzystujące różne materiały pędne, między innymi ksenon, a także energię elektryczną z zainstalowanych na pokładzie paneli fotowoltaicznych. Konwencjonalne rozwiązania wymagają jednak stosowania dużych i ciężkich przetwornic, których jedynym zadaniem jest zapewnienie odpowiedniego zasilania. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu EDDA zajął się badaniami nad technologią bezpośredniego zasilania i możliwościami wykorzystania jej w celu eliminacji przetwornic w układach wykorzystujących dostępne na rynku silniki elektryczne. Założeniem przyświecającym badaczom jest wykorzystanie pokładowych paneli fotowoltaicznych zapewniających wysokie napięcie sięgające nawet 400 V.
Sprawność silnika w symulowanych misjach kosmicznych
Obecnie wykorzystywane technologie wymagają stosowania przetwornic podnoszących napięcie wykorzystywane przez napęd elektryczny do co najmniej 250 V wymaganych przez silniki. Badacze skupieni wokół projektu EDDA przeanalizowali szereg projektów układów wykorzystujących technologie bezpośredniego zasilania i przetestowali nowy zasilacz elektroniczny opracowany przez jednego z partnerów projektu, belgijską spółkę Thales Alenia Space. Opracowany przez zespół projekt zasilacza został stworzony z myślą o współpracy z wybranymi istniejącymi silnikami, jak i rozwijanymi obecnie rozwiązaniami, w tym silnikami wykorzystującymi efekt Halla (HET) realizowanymi przez wiele przedsiębiorstw działających w sektorze kosmicznym, w tym jednego z partnerów projektu - spółkę Sitael, a także wielostopniowy napęd plazmowy o wysokiej sprawności (HEMPT) zbudowany przez spółkę Thales-D. Zdaniem Gillesa Bouhoursa, koordynatora projektu: „W ramach prac zespół projektu EDDA stara się połączyć układy zasilania oraz napędowy, które obecnie są w dużym stopniu odseparowane. W przypadku rozwiązania opracowanego w ramach projektu EDDA układ zarządzania energią steruje jednocześnie kilkoma silnikami, by optymalizować moc i sprawność układu napędowego". Korzystając z symulatorów paneli fotowoltaicznych, badacze przeprowadzili wiele testów różnych silników, aby ocenić sprawność bezpośredniego zasilania elektrycznego układu napędowego w ramach symulacji startów, zmian orbity oraz manewrów orbitalnych. Pierwsze rezultaty okazały się wysoce obiecujące - badaczom udało się uzyskać niemal 100 % mocy z paneli przy znikomych stratach cieplnych. Zaawansowane symulacje napędu obejmujące między innymi oscylacje prądu rozładowania przeprowadzili badacze Uniwersytetu Karola III w Madrycie (UC3M). Koordynatorem odpowiedzialnym za zarządzanie projektem była spółka In Extenso Innovation Croissance.
Architektura zasilania bezpośredniego
Wynoszenie pojazdów kosmicznych na orbitę jest kosztownym przedsięwzięciem. Usunięcie przetwornic nie tylko obniża koszty misji, ale także zwiększa możliwości statków kosmicznych, pozwalając im zabrać na pokład dodatkowe paliwo lub wyposażenie. Bezpośrednie układy zasilania mają trzy główne zastosowania. Pierwszym z nich są satelity telekomunikacyjne na orbicie geostacjonarnej, znajdujące się na wysokości około 36 000 kilometrów nad Ziemią, w przypadku których główne korzyści obejmą obniżenie kosztów i masy, a także usprawnienie manewrów orbitalnych dzięki dojrzałym technologiom napędu elektrycznego. Kolejnym obszarem jest rozwojowy rynek usług orbitalnych. Główne założenia obejmują serwisowanie istniejących satelitów przez pojazdy kosmiczne w celu przedłużenia ich okresu eksploatacji, przeniesienia, konserwacji i wymiany podzespołów oraz usuwania śmieci kosmicznych. Elektryczne układy napędowe z zasilaniem bezpośrednim umożliwią także badanie głębokiej przestrzeni kosmicznej. Realizacja misji na Księżyc, Marsa i asteroidy wymaga transportu ogromnych ładunków. W przypadku napędów elektrycznych wiąże się to z koniecznością zapewnienia dużej mocy do zasilania silników - zasilanie bezpośrednie rozwiązuje ten problem. Jak twierdzi Bouhours: „Celem projektu EDDA jest zbudowanie elektrycznego układu napędowego z zasilaniem fotowoltaicznym, który pozwoli na transport dowolnego ładunku pomiędzy orbitami okołoziemskimi lub planetami". Projekt realizują partnerzy z pięciu przedsiębiorstw oraz jednej uczelni wyższej działających na terenach Belgii, Niemiec, Hiszpanii, Francji i Włoch. Dzięki współpracy z producentami najpopularniejszych silników kosmicznych, zespół projektu EDDA opracował technologię bezpośredniego zasilania, która jest gotowa do szybkiej popularyzacji.
Słowa kluczowe
EDDA, bezpośrednie zasilanie, statek kosmiczny, przełomowa technologia, wielostopniowy silnik plazmowy o wysokiej sprawności, napęd elektryczny, silnik wykorzystujący efekt Halla