Pierwsza osłona magnetyczna umożliwiająca wejście statku kosmicznego w atmosferę
Gdy statki kosmiczne wchodzą w atmosferę z prędkością hipersoniczną, fale uderzeniowe podgrzewają powłoki statku do temperatury wynoszącej około 1 600 °C, powodując ryzyko uszkodzenia jego struktury, awarii systemów, a nawet utratę misji. Specjalne osłony termiczne zostały co prawda opracowane na bazie materiałów metalicznych, ceramicznych, kompozytowych i/lub ablacyjnych, jednak ich wadą jest fakt, że zwiększają masę statku, a jednocześnie ograniczają jego ładowność. Wymagają one również zakrojonych na szeroką skalę i kosztownych testów, nie wspominając o tym, że nie zostały uznane za w pełni niezawodne, wymagają konserwacji, a często nawet wymiany po każdej misji. Dodatkowo plazma ciągnąca się za statkiem kosmicznym może blokować fale radiowe, powodując przerwy w łączności między astronautami a kontrolą misji. Zmianę dotychczasowego paradygmatu oferuje finansowany ze środków UE projekt MEESST, w ramach którego prowadzono badania dotyczące wykorzystania osłon magnetycznych. Dzięki wykorzystaniu nadprzewodników wysokotemperaturowych (ang. high-temperature superconductors, HTS) urządzenie opracowane w ramach projektu MEESST wytwarza pole magnetyczne, które izoluje falę uderzeniową i plazmę otaczającą statek kosmiczny, przeciwdziałając strumieniom ciepła na powierzchni statku, a także (potencjalnie) utracie łączności radiowej. „Nasze rozwiązanie zmienia zasady gry ze względu na niższą masę, objętość, potrzebne zasilanie i mniejsze wymagania dotyczące chłodzenia kriogenicznego w porównaniu z tradycyjnymi nadprzewodnikami niskotemperaturowymi. Jednocześnie pozwala na generowanie wyższych pól magnetycznych, niż było to wcześniej możliwe. Jako że jest wielokrotnego użytku, stanowi również bardziej ekologiczne rozwiązanie, pozwalające uniknąć większej ilości kosmicznych śmieci”, mówi Andrea Lani, koordynator projektu MEESST.
Badanie skuteczności w ograniczaniu przepływów plazmy i utraty łączności
Partnerzy projektu MEESST opracowali i przetestowali platformę demonstracyjną uwzględniającą magnetohydrodynamikę (MHD). Jest to eksperymentalna sonda przypominająca ścięty nos statku kosmicznego z wbudowanym, schładzanym kriogenicznie magnesem HTS. Rozwiązanie to zostało następnie poddane testom w reprezentatywnych warunkach ponownego wejścia w atmosferę – z użyciem i bez użycia pól magnetycznych. Miało to na celu kwantyfikację skuteczności osłony w zmniejszaniu strumieni ciepła (w instalacji PWK1 Arcjet w Instytucie Systemów Kosmicznych) (strona w jęz. niemieckim) oraz w zapobieganiu przerwom w łączności radiowej (w generatorze plazmy w Instytucie im. Von Karmana). Łącznie przeprowadzono cztery serie badań doświadczalnych, po dwie dla każdej z badanych charakterystyk (strumienie ciepła i łączność radiowa). Jeśli chodzi o pomiary strumieni ciepła, odnotowano ich znaczącą redukcję w naddźwiękowej plazmie powietrznej – do 40 % w przypadku powrotu z Księżyca (60 megadżuli na kilogram) i do 80 % w przypadku powrotu z przestrzeni międzygwiezdnej (80 megadżuli na kilogram), przy maksymalnym osiągalnym natężeniu pola magnetycznego (0,67 tesli na powierzchni sondy). Jeśli chodzi o łączność radiową, wyniki uzyskane zarówno dla plazmy powietrznej (Ziemia), jak i CO2 (Mars) wykazały słabsze efekty tłumienia, niż oczekiwano – redukcja (utraty sygnału) do pięciu decybeli, co sugeruje, aby przyszłe testy odbywały się z lepszym pozycjonowaniem anteny, wyższą (naddźwiękową) prędkością przepływu i wyższym polem magnetycznym. „Podsumowując, uzyskane rezultaty pokazują prawdziwy potencjał tej technologii dla szerokiego zakresu misji kosmicznych, obejmujących ponowne wejście w atmosferę przy wyższych prędkościach i wyższych współczynnikach jonizacji, takich jak powroty z Księżyca lub Marsa bądź pobieranie próbek z asteroid”, zauważa Lani. Zaawansowane oprogramowanie do modelowania stworzone na potrzeby symulacji obu scenariuszy (odpowiednio przepływów plazmy MHD i utraty łączności radiowej) – COMET opracowane przez KU Leuven oraz BORAT opracowane wspólnie przez KU Leuven i Uniwersytet Luksemburski – może teraz pomóc w wirtualnym prototypowaniu przyszłych systemów ekranowania magnetycznego.
Przygotowanie osłony termicznej do wprowadzenia na rynek
Zespół projektu MEESST pracuje obecnie nad zwiększeniem skali swojego systemu na potrzeby rzeczywistego scenariusza lotu, a w planach ma utworzenie start-upu jako platformy do wprowadzenia swojego rozwiązania na rynek. Dodatkowo zespół stara się o wsparcie Europejskiej Rady ds. Innowacji w celu przygotowania demonstracji ponownego wejścia na niską orbitę okołoziemską kapsuły Nyx firmy The Exploration Company. Przyciągnęłoby to uwagę podmiotów z trzech głównych rynków: lotów na niską orbitę okołoziemską (np. na potrzeby produkcji lub badań i rozwoju w warunkach mikrograwitacji), eksploracji kosmosu (np. powrót z misji na Księżyc i Marsa) oraz pobierania próbek z kosmosu/asteroid. „Pracujemy nad stworzeniem technologii wspomagającej dla następnej generacji misji kosmicznych, której zadaniem będzie ochrona ludzi, sprzętu, materiałów i zapasów podczas podróży w kosmos i z powrotem”, dodaje Lani.
Słowa kluczowe
MEESST, Mars, Ziemia, Księżyc, atmosfera, osłona termiczna, magnetyczna, plazma, przestrzeń kosmiczna, ponowne wejście, statek kosmiczny, niska orbita okołoziemska