Polska nisza w kosmosie, czyli ekologiczne napędzanie rakiet

Polska nisza w kosmosie, czyli ekologiczne napędzanie rakiet

Start rakiety ILR-33 Bursztyn 2K z poligonu w Ustce
Start rakiety ILR-33 Bursztyn 2K z poligonu w UstceŹródło:Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa
Ekologiczne materiały pędne i oparte na nich silniki to zauważona przez nas nisza na rynku napędów rakietowych – mówi dr inż. Dominik Kublik z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa. Naukowcy z Polski opracowali nowatorskie paliwo do rakiet.

Katarzyna Świerczyńska, „Wprost”: Czym napędzane są rakiety?

Dr inż. Dominik Kublik*: Silnikami rakietowymi, a silniki rakietowe to rodzaj silników odrzutowych, które, w przeciwieństwie do tych wykorzystywanych do napędu samolotów, nie pobierają tlenu z atmosfery. W kosmosie silnik zasilany jest paliwem i zabieranym na pokład obok paliwa utleniaczem. Taka para nazywana jest materiałem pędnym. Wszystko, czego potrzeba, aby silnik zadziałał w kosmosie, musi być zapewnione przez samą rakietę.

Moglibyśmy zatankować rakietę na zwykłej stacji paliw?

Nie, ponieważ samo paliwo nie wystarczy – potrzebujemy również utleniacza. W kosmosie nie ma atmosfery, z której można by czerpać tlen do spalania paliwa, dlatego musimy zabrać go ze sobą na pokład.

Pan i zespół naukowców z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa, pracujecie nad kosmicznymi materiałami pędnymi. Co to za substancje?

Udało nam się opracować paliwo, które w kontakcie z utleniaczem w postaci nadtlenku wodoru samoczynnie się zapala. Hipergoliczne materiały pędne, czyli materiały, których składniki, a więc paliwo i utleniacz zapalają się po wymieszaniu w komorze spalania, są bardzo pożądane w systemach napędowych satelitów i ostatnich stopni rakiet, czyli generalnie pojazdów poruszających się poza ziemską atmosferą, w przestrzeni kosmicznej. To ważne, bo wykorzystanie hipergolicznych materiałów pędnych eliminuje potrzebę stosowania układów zapłonowych, dzięki czemu moduły napędowe są lżejsze i zyskują na niezawodności.

Dodatkowo właściwość ta pozwala na generowanie powtarzalnych impulsów ciągu, co jest niezmiernie istotne w przypadku kontroli orientacji satelitów – wykorzystywane do tego typu manewrów silniki muszą generować bardzo precyzyjne impulsy siły – niemal natychmiastowy zapłon hipergolicznej mieszanki po wtryśnięciu do komory spalania bardzo pomaga w osiągnięciu takich właściwości.

Na czym polega nowatorskość waszego paliwa?

W przeciwieństwie do obecnie stosowanych jest ono przyjazne dla personelu i środowiska. Wchodzące w skład wykorzystywanego na świecie od ponad siedemdziesięciu lat materiału pędnego o właściwościach hipergolicznych, pochodne hydrazyny (paliwo) i czterotlenek dwuazotu (utleniacz), to silnie toksyczne substancje – praca z nimi wiąże się z koniecznością przestrzegania bardzo rygorystycznych wymogów bezpieczeństwa, między innymi stosowania odpowiednich skafandrów z aparatami tlenowymi.

Nasze paliwo opracowane zostało na bazie związku szeroko wykorzystywanego w przemyśle i nie stanowi takiego zagrożenia. Jego obsługa jest również o wiele tańsza, podobnie jak w przypadku stosowanego w naszych silnikach nadtlenku wodoru, który, po czystym tlenie, jest najsilniejszym znanym utleniaczem.

Nadtlenek wodoru był już wcześniej stosowany w silnikach rakietowych, m.in. w brytyjskich i amerykańskich programach kosmicznych, jednak nie w tak wysokich stężeniach.

Nadtlenek wodoru, czyli woda utleniona?

Zgadza się. Woda utleniona to trzyprocentowy roztwór nadtlenku wodoru. W naszych silnikach wykorzystujemy dużo wyższe stężenia. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa opracował, opatentował i skomercjalizował metodę wytwarzania tej substancji w stężeniach, które zapewniają wyjątkowe osiągi naszych silników – nawet powyżej 99,99 proc. Dodatkowo nasz produkt charakteryzuje się szczególną czystością, co korzystnie wpływa na czas przechowywania, a więc długość misji satelity.

Ekologiczne materiały pędne i oparte na nich silniki to zauważona przez nas nisza na rynku napędów rakietowych, na której wypełnieniu skupiamy się od początku działalności.

I macie na swoim koncie sukcesy…

Zarówno samodzielnie, jak i w konsorcjach z polskimi i zagranicznymi instytucjami opracowaliśmy wiele konstrukcji różnego typu silników i ich komponentów, a nawet całych modułów napędowych składających się ze zbiorników, zaworów, filtrów itd. Pierwsze konstrukcje oparliśmy właśnie na nadtlenku wodoru – ekologicznym utleniaczu, który jest jednocześnie jednoskładnikowym materiałem pędnym. To oznacza, że parogaz, który powstaje w wyniku jego rozkładu w kontakcie z katalizatorem, może nawet bez paliwa wygenerować ciąg. Takie właściwości posiada również stosowana obecnie hydrazyna, jednak – jak wspominałem – zarówno ona, jak i produkty jej rozkładu są wysoce toksyczne. Substancja ta została wpisana na listę REACH – Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów z zamiarem jej wycofania jako substancji szczególnie szkodliwej dla środowiska. My mamy alternatywę dla hydrazyny.

Próby statyczne silników rakietowych opracowanych w Centrum Technologii Kosmicznych Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa

Ale to nie jest jedyna rzecz, nad którą pracujecie.

W Centrum Technologii Kosmicznych Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa zajmujemy się przede wszystkim rozwojem technologii rakietowych, w tym chemicznych napędów rakietowych, czyli takich, w których energia uzyskiwana jest w wyniku spalania paliwa (w przeciwieństwie do silników np. elektrycznych czy jądrowych). Od opracowania, wytwarzania i badania materiałów pędnych, którymi są zasilane, poprzez opracowanie koncepcji konstrukcji, szczegółowych projektów, po wytwarzanie niektórych komponentów, integrację i testy. Budujemy silniki, które można stosować w rakietach, na satelitach i lądownikach (np. księżycowych), te ostatnie wymagają możliwości zmiany ciągu w czasie, co czyni ich rozwój szczególnym wyzwaniem.

Od jak dawna Instytut zajmuje się technologiami kosmicznymi?

Obecne Centrum Technologii Kosmicznych – wtedy jeszcze Pracownia Technologii Kosmicznych – założone zostało w 2007 roku. Jednak już dużo wcześniej, bo w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku, Instytut budował instrumenty satelitarne w kosmicznych programach bloku wschodniego – Interkosmos, Fobos czy Vega. Mieliśmy też istotne osiągnięcia w technice rakietowej – w Instytucie Lotnictwa opracowana została m.in. seria rakiet meteorologicznych Meteor, z których jedna, Meteor 2K, przekroczyła umowną granicę kosmosu – 100 km. Obecnie pracujemy nad rakietą Bursztyn 2K nawiązującą nazwą do tej historycznej konstrukcji, ale różniącą się pod względem zastosowanych technologii – odpowiadającą potrzebom współczesnego rynku.

Kadr z kamery pokładowej rakiety ILR-33 Bursztyn

Proszę o tym opowiedzieć…

Główny człon naszej suborbitalnej rakiety napędzany jest silnikiem hybrydowym, w którym paliwo w formie stałej umieszczane jest w komorze spalania, a w roli utleniacza występuje wysoko stężony nadtlenek wodoru, który, wtryskiwany do komory z paliwem, bierze udział w procesie spalania. Silnik hybrydowy jest bardziej wydajny i jednocześnie dużo bezpieczniejszy niż silnik na stały materiał pędny zastosowany w historycznym Meteorze – tam paliwo i utleniacz były ze sobą wymieszane tworząc jednorodny blok, co stwarzało większe zagrożenia eksploatacyjne i transportowe. Silniki na stały materiał pędny są stosunkowo proste, jednak mało efektywne, a raz odpalone nie zakończą pracy, dopóki nie wyczerpie się cały materiał pędny. Silnik hybrydowy można wyłączyć np. w przypadku wykrytej anomalii w trakcie lotu rakiety, odcinając dopływ utleniacza. Tu również nie wykorzystujemy układu zapłonowego…

Czyli do gry wchodzi znowu nadtlenek wodoru?

Tak, zastosowany jako utleniacz, zanim trafi do komory spalania przepływa przez katalizator, pod wpływem którego rozkłada się na gorący gaz – mieszaninę pary wodnej i tlenu. Temperatura tego gazu jest tak wysoka, że zapala znajdujące się w komorze spalania ziarno stałego paliwa. Rakieta Bursztyn zaprojektowana została, aby przekroczyć granicę kosmosu. Umożliwi m.in. prowadzenie badań w stanie nieważkości, ale jej zastosowanie może być dużo szersze. Ma już za sobą cztery udane loty testowe, w tym jeden w wersji 2K, jednak ze względów bezpieczeństwa osiągnięty do tej pory pułap to 23 km.

Od czego właściwie się to wszystko zaczęło? Mam na myśli dojście do opracowania waszego nowatorskiego paliwa.

Jednymi z pierwszych zbudowanych przez nas silników były silniki wykorzystujące nadtlenek wodoru jako jednoskładnikowy materiał pędny. Silniki tego typu mają wiele zalet, jednak działanie w takim trybie nie jest najbardziej efektywne. Dodanie paliwa znacząco podnosi osiągi. Do tej pory wykorzystywaliśmy różnego rodzaju katalizatory, w których opracowywaniu również się specjalizujemy, uzyskując zapłon quasi-hipergoliczny (paliwo zapalało się w wyniku kontaktu z gorącymi produktami rozkładu utleniacza – tlenu i pary wodnej).

Jednak wiąże się to z pewnymi ograniczeniami w porównaniu do rozwiązań stricte hipergolicznych. Na opracowanie przyjaznego dla otoczenia, hipergolicznego z wybranym przez nas utleniaczem paliwa poświęciliśmy dużo zasobów i energii. Prace zaangażowały kilkudziesięciu inżynierów i naukowców o wielu różnych specjalizacjach. Choć przed nami jeszcze mnóstwo pracy, bo tego typu substancję trzeba certyfikować, to uzyskane do tej pory wyniki są bardzo obiecujące. Udało nam się zastosować taką nowatorską parę w demonstratorze silnika rakietowego do kontroli orientacji satelitów. Pracował wzorowo.

Próba statyczna demonstratora silnika do kontroli orientacji satelitów, wykorzystującego nowatorski, ekologiczny, hipergoliczny materiał pędny opracowany w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa

Muszę jeszcze zadać osobiste pytanie. Jak to się stało, że zajmuje się Pan napędami rakietowymi?

Technologiami kosmicznymi zainteresowałem się dosyć późno, bo dopiero na studiach. Od zawsze fascynowały mnie za to samoloty, dlatego zdecydowałem się na studia na Wydziale Mechanicznym, Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. To tam pierwszy raz zetknąłem się z techniką rakietową, która kompletnie mnie pochłonęła. Byłem jednym z członków powołanej i prowadzonej przez prof. dr. hab. inż. Piotra Wolańskiego grupy studenckiej, która opracowywała koncepcje rakiet nośnych. Były to dwu i trzystopniowe konstrukcje, napędzane m.in. ciekłym metanem i ciekłym tlenem, których pierwsze stopnie powracały na ziemię z zamiarem ponownego wykorzystania. Profesorowi udało się przekonać władze Instytutu, jak krytyczne są technologie rakietowe i cała grupa została przeniesiona z Politechniki, tworząc zalążki obecnego Centrum Technologii Kosmicznych. Z siedmiu osób, na przestrzeni 16 lat, zespół rozrósł się do ponad stu pracowników.

I macie przy tym imponujące zaplecze.

Wybudowaliśmy w tym czasie i wyposażyliśmy wiele laboratoriów, w tym kilka stanowisk do statycznych testów silników, pozwalających badać jednostki napędowe o ciągach od 1N do 5000 N. Laboratoria wyposażone są w światowej klasy sprzęt pomiarowy, umożliwiający wnikliwe badania. Obecnie finalizujemy budowę kompleksu laboratoryjno-testowego, którego głównym składnikiem jest hamownia próżniowa – stanowisko badawcze przystosowane do odpalania silników w warunkach bardzo zbliżonych do panujących w kosmosie. Dzięki temu uzyskamy możliwość badania np. ciągłej, kilkugodzinnej pracy silników do zmiany orbity satelitów. Przeprowadzenie takich testów jest wymagane przed dopuszczeniem konstrukcji do lotu. Będzie to jedno z bardzo nielicznych w Europie miejsc umożliwiających tego typu badania – jego otwarcie planujemy już na październik tego roku.

Skąd czerpiecie pomysły? Co jest dla was inspiracją?

Jako Instytut zidentyfikowaliśmy dla siebie pewne niszowe obszary, w których konsekwentnie się rozwijamy. Nasze działania są zgodne z założeniami europejskiej inicjatywy Clean Space mającej na celu zredukowanie wpływu sektora kosmicznego na środowisko.

Czyli – można powiedzieć – napędza was nie tylko chęć osiągnięcia sukcesów naukowych, ale też troska o środowisko.

Zdecydowanie. To zaniedbany obszar, który dopiero od niedawna zaczyna nabierać na znaczeniu, podobnie jak problem śmieci kosmicznych. Wiele wynoszonych obecnie na orbitę konstrukcji, po zakończeniu misji pozostaje tam nieaktywna jako tzw. śmieci kosmiczne. Takie nieaktywne satelity stanowią zagrożenie dla innych statków kosmicznych. Zderzenie na orbicie może prowadzić do katastrofalnych skutków. Problem staje się coraz większy w związku z szerszym dostępem do kosmosu i rosnącą liczbą satelitów.

W Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa opracowaliśmy również metodę deorbitacji satelitów po zakończeniu misji. Nasz pomysł to zastosowanie dedykowanego napędu na stały materiał pędny, który obniży orbitę satelity powodując jego spalenie w atmosferze, lub wyniesie go na tzw. orbitę cmentarną, gdzie nie będzie stanowić zagrożenia.

W tym celu razem z partnerami opracowaliśmy nowatorski materiał pędny, który nie generuje cząstek stałych, mogących uszkodzić inne, znajdujące się na orbicie satelity (pierwszy taki na świecie) i zapewnia niski ciąg oraz bardzo długi czas pracy umożliwiając delikatne przetransferowanie satelity. Realizujemy wiele projektów na zlecenia Europejskiej Agencji Kosmicznej, wpisujących się w strategię Unii Europejskiej w tym obszarze. Strategię, w której opracowaniu udział bierze również Polska.

Być może nasza rozmowa zainspiruje kogoś, aby pójść w Pana ślady. Co trzeba zrobić, aby pracować z technologiami kosmicznymi?

Budowa rakiet i napędów rakietowych to interdyscyplinarne zajęcie. Wymaga wiedzy z wielu dziedzin nauki, którą łączymy w Centrum Technologii Kosmicznych. Przede wszystkim są to oczywiście chemia i fizyka i oparte na nich nauki inżynierskie, ale nie tylko. Poza konstruktorami, analitykami, specjalistami od materiałoznawstwa, czy technik wytwarzania, np. modnego ostatnio druku 3D, zatrudniamy również elektroników i programistów odpowiedzialnych m.in. za budowę komputerów pokładowych, czy tworzenie systemów kontrolno-pomiarowych wykorzystywanych podczas różnego rodzaju badań.

Myślę, że wykształcenie techniczne, oferowane na większości polskich uczelni i chęć ciągłego rozwoju zapewnią podstawy do pracy z technologiami kosmicznymi. Najlepiej jednak przygotują do tego studia na dedykowanych kierunkach, których w ostatnim czasie w Polsce przybywa. Jest to oczywiście odpowiedzią na rosnące zainteresowanie pracą w sektorze kosmicznym wśród młodych ludzi. Warto w tym miejscu wspomnieć, że oferujemy staże dla studentów. Wielu z nich znajduje potem u nas stałe zatrudnienie, a zagadnienia, którymi się zajmują, opisują w swoich pracach inżynierskich i magisterskich.

Pana największe naukowe marzenie?

Aby opracowane w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa, ekologiczne materiały pędne wyparły stosowane obecnie, toksyczne rozwiązania, a oparte na nich polskie silniki rakietowe stanowiły wzór tej przyjaznej dla środowiska technologii.

Dr inż. Dominik Kublik

*Dr inż. Dominik Kublik, absolwent Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, gdzie w 2017 roku obronił tytuł doktora nauk technicznych. Od początku kariery zawodowej związany z Instytutem Lotnictwa (obecnie Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa), w którym od 2007 roku współtworzy Centrum Technologii Kosmicznych. Kierownik Sekcji Napędów Rakietowych, Specjalista do Spraw Badawczych – bierze udział w pozyskiwaniu i realizacji zarówno krajowych, jak i europejskich projektów B+R. Specjalizuje się w przepływach wewnętrznych i wymianie ciepła. Obecnie jest m.in. kierownikiem dwóch równoległych działań prowadzonych dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, realizowanych w ścisłej współpracy z przedstawicielami Europejskich Wielkich Integratorów Satelitarnych. Jako konstruktor przedziału utleniacza jest jedną z kluczowych osób, które przyczyniły się do sukcesu rakiety suborbitalnej ILR-33 BURSZTYN.

Nauka to polska specjalność Wielkie postacie polskiej nauki Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”