Umstellung des Weltraumantriebs auf einen Lachgasantrieb

Der zukünftige Erfolg der Lieferkette der Raumfahrtindustrie hängt von der Standardisierung aller Aspekte einer Weltraummission ab, von der Sicherheit der Menschen bis hin zum Oxidationsmittel, das im Treibstoff verwendet wird. In diesem Sammelbeitrag geht es darum, wie Lachgas die optimale Wahl ist, mit Beiträgen von:

Vor einigen Wochen beantragte die US Space Force erstmals 60 Millionen US-Dollar für die nächsten zwei Jahre für ihr taktisch reaktionsfähiges Raumfahrtprogramm.

Da die taktisch reaktionsfähige Raumfahrt als Finanzierungspriorität immer mehr an Bedeutung gewinnt, muss die Antriebstechnologie aufholen. Satelliten müssen innerhalb von 24 Stunden startbereit sein, was bedeutet, dass die Beladung der Satelliten mit Treibstoff reibungslos erfolgen muss.

Die US-Regierung macht nach jahrelanger Lobbyarbeit bei kleinen Satellitenstartunternehmen ernst, aber die erfolgreiche Umsetzung des gesamten Startprogramms erfordert mehr als nur eine Haushaltslinie – es erfordert den effizientesten Satellitenantriebsprozess, der möglich ist, einschließlich:

Ja, genau wie in Fast & Furious. Lachgasbasierte Systeme sind die am schnellsten wachsende Kategorie umweltfreundlicher Antriebe im kommerziellen Raumfahrtmarkt. Systeme auf Lachgasbasis eignen sich für alle Missionstypen, von LEO bis hin zum Weltraum, und sind über viele Schubklassen hinweg skalierbar. Regierungsorganisationen wie die Europäische Kommission, die ESA, das DLR und die New Zealand Space Agency investieren bereits in Lachgasprojekte.

„Ich hatte immer das Gefühl, dass sich die Industrie von giftigen Treibstoffen wie Hydrazin verabschieden und sich stattdessen auf Bitreibstoffe konzentrieren muss, bei denen die Sicherheit im Vordergrund steht, die aber dennoch eine gute Leistung bieten, damit zukünftige Raumfahrzeuge wirklich kostengünstig sind“, sagte Tom Mueller, der Chef Geschäftsführer von Impulse Space. „Deshalb wusste ich, als ich Impulse gründete, dass wir Lachgas als Oxidationsmittel für unsere Motorenentwicklungen verwenden würden.“

Eine belastbare inländische Lieferkette: Die US-amerikanische Antriebslieferkette ist ungesichert. Die Vereinigten Staaten sind stark auf hochreines Xenon und Krypton angewiesen, die hauptsächlich in Russland, China und der Ukraine hergestellt werden, wie in einem kürzlich erschienenen Artikel von Phase Four-CTO Umair Siddiqui hervorgehoben wird. Es gibt auch keine inländische Produktion von Hydrazin, dem Standardtreibstoff der Wahl in den USA, da der Großteil der Produktion in China stattfindet.

„Für Satelliten mit bedeutenden Nutzlasten, die einen erheblichen Antriebsbedarf haben, gemessen am großen Delta-V, erfüllt Xenon einen Bedarf, aber die Preise sind hoch und die Vorlaufzeiten lang. Kosten in Millionenhöhe und unsichere Verfügbarkeit können Budgets und Zeitpläne sprengen“, sagte Eric Anderson, Präsident von And One Technologies. „Da sich die Lachgaskosten auf Tausende von Dollar pro Satellit belaufen, können Missionseigentümer ihre Mittel und Anstrengungen auf andere Bereiche als den Treibstoff konzentrieren.“

Unterstützt durch andere große Industrien wie die Medizinindustrie ist Lachgas in Industriequalität in großem Umfang vorhanden, wird im Inland in den Vereinigten Staaten hergestellt und ist für Dollar pro Liter erhältlich. Laut ChemView gibt es in den USA mindestens sieben N2O-Anlagen, die 50 bis 100 Millionen Pfund pro Jahr produzieren. Interessante Tatsache: Die Produktionsanlagen von Air Liquide in Washington, Pennsylvania, befinden sich in der Nitrous Lane 1.

Treibstofflagerung: N2O ist eine reine chemische Verbindung. Es entmischt sich nicht, zersetzt sich nicht, löst sich nicht auf und kristallisiert nicht. Es zersetzt sich in keiner Weise und ist daher theoretisch unbegrenzt speicherbar. Der Transport der Tanks direkt zum Startplatz oder zu den Integrationsanlagen erfolgt mit LKWs des Industriegaslieferanten. Es wird in Gasflaschen in Industriequalität in einem belüfteten Bereich gelagert. Jeder, der mit einem Schweißbrenner umgehen kann, kann mit solchen Zylindern umgehen.

„Wir haben mit dem Bau von Systemen auf Lachgasbasis begonnen, da es sich um einen leistungsstarken und dennoch sicheren Treibstoff handelt, den wir in die Finger bekommen konnten“, sagte Stefan Powell, CEO von Dawn Aerospace. „Es stellt sich heraus, dass kommerzielle Satellitenbauer es aus den gleichen Gründen lieben.“

Zweckmäßige Ladevorgänge: Die Treibstoffbeladung eines auf Lachgas basierenden OTV, das auf einer Transporter-Mission flog, erfolgte in der East Bay der SpaceX Payload Processing Facility im Reinraum der Generalversammlung. Der Bodenbetreiber, der jeden Treibstoff in das Orbitaltransferfahrzeug (OTV) geladen hat, benötigte jeweils etwa zwei Stunden, also insgesamt vier Stunden. Als PSA waren für den Prozess Schutzbrillen und Gehörschutz erforderlich – es waren keine SCAPE-Anzüge erforderlich. Die einzige Einschränkung bestand damals darin, dass die Treibladung nachts erfolgen musste, wenn weniger Menschen in der Nähe waren.

Das Sicherheitspersonal für die Vega-Mitfahrgelegenheit in Französisch-Guayana verfolgte den gleichen Ansatz. Die Beladung mit Treibstoff durfte innerhalb der Tagesstunden erfolgen. Sicherheitsschirme wurden installiert; Andere Nutzlastintegratoren könnten jedoch ihre Geschäfte wie gewohnt in denselben Einrichtungen fortsetzen.

Der kommerzielle Markt liebt es. Lachgasbasierte Systeme sind die am schnellsten wachsende Kategorie umweltfreundlicher Antriebe. Es gibt über 50 Triebwerke im Orbit, die 12 Satelliten mit nitrosem Doppeltreibstoff antreiben, und Hunderte weitere sind bei kommerziellen Unternehmen und Raumfahrtagenturen bestellt.

Zu den öffentlichen Ankündigungen von Unternehmen, die Systeme auf Lachgasbasis verwenden, gehören:

Satelliten mit von Dawn Aerospace gebauten Antriebssystemen (nicht erschöpfend):

Ridesharing-freundlich: Lachgasbasierte Antriebssysteme waren bei jeder SpaceX-Transporter-Mission, bei Starlink-Mitfahrgelegenheiten und bei Arianespaces Vega-Mitfahrgelegenheiten im Einsatz. Sie sollen auf Terran R fliegen. Wenn es ein Leck gibt, verdampfen und verteilen sich Treibstoffe mit hohem Dampfdruck wie Lachgas auf natürliche Weise, sodass es unwahrscheinlich ist, dass Satelliten oder Personen in der Nähe Schaden nehmen, solange die Bucht oder Kapsel belüftet ist , was normalerweise der Fall ist. Dies ist das Gegenteil zu Treibstoffen mit niedrigem Dampfdruck wie HTP und ASCENT.

Hohe Produktions- und Lieferzeitfreundlichkeit: Diese Systeme sind für hohe Produktionsraten bei geringerem Lieferkettenrisiko ausgelegt. Der 3D-Druck ermöglicht komplexe Designs und regenerative Kühlung für Triebwerke und ermöglicht die Verwendung unedler Metalle wie Inconel. Exotische Metalle wie Niob sind für die Bewältigung hoher Temperaturen nicht mehr erforderlich, was wiederum zu höheren Produktionsraten, mehr Lieferanten, niedrigeren Kosten und geringeren Risiken führt. Systeme auf Lachgasbasis umgehen die Katalysatorbetten, die bei herkömmlichen Triebwerken verwendet werden, wie etwa der Shell 405-Katalysator, dessen Beschaffung mehr als 12 Monate dauern kann. Dawn liefert N2O-basierte Systeme bereits innerhalb von vier bis sechs Monaten nach der ersten Bestellung an gewerbliche Kunden.

„Unser Plan ist es, den Bau von 200 Satelliten pro Monat voranzutreiben und innerhalb von zwei Jahren 5.000 Satelliten zu erreichen“, sagte Charles Miller, CEO von Lynk.

Lagerdruck -> 3D-Druck: Der Speicherdruck ist im Vergleich zu anderen Treibstofftypen relativ niedrig, sodass einzigartige Designs entwickelt werden können, die den Anforderungen der Druckbehälter von Trägerraketen problemlos entsprechen. Dadurch eignen sie sich gut für schnelle Fertigungstechniken wie die additive Fertigung und verkürzen die Vorlaufzeiten zur Erfüllung kundenspezifischer Anforderungen erheblich. Der 3D-Druck ermöglicht kundenspezifische Tankdesigns, einschließlich zylindrischer, sphärischer und toroidaler Designs.

Aber ist es nicht gefährlich? : Nitrous wurde 2007 aufgrund eines Unfalls von Virgin Galactic und Scaled Composites unter die Lupe genommen. Obwohl die genaue Ursache nie gemeldet wurde, enthielt der Verbesserungsplan im Bericht des Unfalluntersuchungsteams der Cal OSHA Folgendes:

Lachgas ist ein Treibstoff und alle Treibstoffe müssen mit Respekt behandelt werden. Das erfordert eine angemessene Schulung und das Wissen, wie man damit in einer sicheren, sauberen und gut belüfteten Umgebung arbeitet und nur Materialien verwendet, deren Kompatibilität wissenschaftlich erwiesen ist – keine Epoxidharze, die sich im Oxidationsmittel zersetzen könnten, um eine vorgemischte Lösung zu erzeugen. Es gibt eine lange Geschichte von Unternehmen und Instituten, die mit N2O arbeiten und es richtig verwenden, was seine Sicherheit beweist.

Extreme Skalierbarkeit: Triebwerke auf Lachgasbasis reichen in der Schubklasse bereits von 0,25 lbf (1 N) bis 240 lbf (1068 N). Es handelt sich um einen hochflexiblen Treibstoff, der für eine Reihe von Programmen verwendet werden kann, darunter CubeSats, große interplanetare Transferstufen, Marslander und Raumstationen.

Rendezvous und Anlegen: Das Entfernen von Katalysatorbetten und der Übergang zu Zündsystemen auf Funkenbasis führt zu Tausenden von stationären Kaltstartvorgängen und Betrieben mit winzigen Impulsen. Triebwerke können sowohl im Doppeltreibstoff- als auch im Kaltgasmodus betrieben werden, unabhängig voneinander oder im Gleichklang, was einzigartig für Rendezvous- und Nahbereichseinsätze ist.

Einfaches Auftanken im Orbit und Treibstoffmessung: Antriebssysteme auf Lachgasbasis verwenden verflüssigte Gase, die unter Sättigungsbedingungen im Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht bei typischen Betriebstemperaturen von 14–95 °F gelagert werden. Der Treibstofftransfer von einem Wartungsdepot zu einem Raumschiff des Kunden kann durch thermische Kontrolle erreicht werden, indem die Tanks des Servicers erhitzt werden, um eine Druckdifferenz zu erzeugen, die den Treibstoff von einem Tank zum anderen überträgt. Sobald der Transfer abgeschlossen ist, kann das Treibmittel sowohl im Kunden- als auch im Servicer-Tank unabhängig voneinander erhitzt werden, bis jedes Treibmittel einen überkritischen Zustand erreicht. Anschließend kann der Druck gemessen werden, der mit der erwarteten Treibstoffmasse in einem Tank korreliert.

Versuchen Sie nicht, die Kälte zu besiegen; Nutzen Sie es zu Ihrem Vorteil: Kältere Weltraumumgebungen eignen sich besser für die Langzeitlagerung von N2O, das einen Gefrierpunkt von -130 °F (-90 °C) hat. Im Gegensatz zu Hydrazin, Wasser und HTP, die alle einen hohen Gefrierpunkt haben, ist keine konstante Heizleistung erforderlich, sodass die Systeme abgeschaltet werden können und es überlebt.

Ein Treibstoff mit doppeltem Verwendungszweck für die Umlaufbahn menschlicher Behausungen: „Wir haben noch keine Einzelheiten zu unserer Raumstation veröffentlicht, aber es ist kein Geheimnis, dass wir durch die Übernahme von Launcher ein großes Lachgas-basiertes Team innerhalb von Vast haben“, sagte Max Haot, Präsident von Vast. „Da wir daran arbeiten, die Menschheit im gesamten Sonnensystem zu verbreiten, wäre es klug, einen Treibstoff mit doppeltem Verwendungszweck zu haben, der auch für die Chirurgie und Zahnmedizin verwendet oder in Atemluft destilliert werden kann.“

Sie können es auf dem Mars schaffen: Obwohl es schwieriger herzustellen ist als flüssiger Sauerstoff und Methan, kann man es viele Jahre lang lagern. Tatsächlich wird Impulse Space in Zusammenarbeit mit Relativity Lachgas als Treibstoff für die erste kommerzielle Mission zur Landung auf dem Mars verwenden.

Langlebige Zuverlässigkeit: Insgesamt wurden viele Zehntausende Triebwerksneustarts ohne messbare Verschlechterung der Startleistung durchgeführt. Im Gegensatz zu katalysatorbasierten Triebwerken gibt es wahrscheinlich nahezu keine Begrenzung des Gesamtdurchsatzes. In Verbindung mit der Betankung im Orbit ist dies die Zukunft des Raumtransports, die es uns ermöglichen wird, die Tyrannei von Tsiolkovskys Raketengleichung zu überwinden.

Um mehr über die Unternehmen zu erfahren, die die Lachgas-Bemühungen anführen, lesen Sie weiter:

Dawn Aerospace: www.dawnaerospace.com/green-propulsion

Impulsraum: www.impulsespace.com

Vast: www.vastspace.com