Špičkový iontový pohon z České republiky

Iontový motor během zážehu - poskytuje velmi malý tah po velmi dlouhou dobu.

Iontové pohony se v posledních letech používají stále častěji, ale pořád jsou oproti tradičním chemickým motorům v menšině. Mají sice výhodu v tom, že s palivem hospodaří mimořádně šetrně, ale jejich vývoj je zatím poměrně náročný. Zvládnutí jejich výrobního procesu tedy svědčí o vysoké technologické úrovni výrobce. Na začátku letošního roku se objevila zpráva o úspěšných testech nového typu iontového pohonu. Ten ke svému provozu nepotřebuje žádné pohonné látky z palubních nádrží – jako pracovní médium, které je následně ionizováno a urychlováno, mu slouží molekuly řídkých vrstev atmosféry na velmi nízkých oběžných drahách. Nyní na toto lukrativní pole vstupuje i Česká republika.

Firma SpaceLab EU se dohodla s Výzkumným a zkušebním leteckým ústavem na partnerství, v rámci kterého bude po dobu následujících pěti let probíhat společný vývoj tzv. air-breathing iontového motoru, tedy pohonu, který si bere pohonné látky z okolního prostředí. Cílem partnerství ale není jen vývoj samotné technologie, ale i hledání cest k jejímu komerčnímu využití. V posledních letech totiž stále více sílí poptávka ze strany satelitních operátorů, kteří chtějí provozovat rozsáhlé sítě tvořené mnohačetnými flotilami malých družic, které by tento typ pohonu využily. Iontový pohon čerpající pohonné látky z okolní atmosféry má totiž vysoký potenciál ke zlepšení ekonomiky provozu těchto družic i k prodloužení životnosti jejich provozu.

Princip iontového motoru využívajícího molekul vzduchu

Princip iontového motoru využívajícího molekul vzduchu
Zdroj: http://www.esa.int/

Je to logické – v poslední době se stále méně často setkáváme s momenty, kdy nějaká družice musí ukončit provoz kvůli technické poruše. Limitujícím faktorem, který omezuje životnost družic je objem nádrží s pohonnými látkami. Existují sice projekty, které počítají s možností dotankování nádrží na oběžné dráze, ale ty cílí spíše na velké telekomunikační družice například na geostacionární dráze. U rozsáhlé flotily malých družic by metoda dotankování nebyla ekonomicky únosná. Otevírají se tedy dveře k jiným metodám. Nejjednodušší je tedy palivové nádrže úplně vynechat a palivo si brát z prakticky nevyčerpatelného zdroje, který je na nízkých oběžných drahách všude kolem družic.

Kompletní testovací set Evropské kosmické agentury při zkouškách iontového motoru pro využití molekul vzduchu

Kompletní testovací set Evropské kosmické agentury při zkouškách iontového motoru pro využití molekul vzduchu
Zdroj: http://www.esa.int/

Český projekt je v tomto směru bez přehánění unikátní. Naši odborníci mají možnost podílet se na skutečně špičkovém výzkumu v celosvětovém měřítku. Pokud se tato iniciativa dočká úspěšné realizace, můžeme se dočkat vpravdě revolučního zpřístupnění velmi nízkých oběžných drah komerčním družicím. Velmi nízké oběžné dráhy mají obecně problém s tím, že prochází oblastmi, kde jsou již poměrně silně cítit pozůstatky nejvyšších vrstev atmosféry. Tření o tyto molekuly atmosféry samozřejmě družice zpomaluje a pokud by družice nekompenzovala toto zpomalování, tedy nezrychlovala, velmi brzy by shořela v atmosféře.

Asi nejznámější družicí, jejímž pracovištěm byla extrémně nízká oběžná dráha, byla vědecká družice GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer). Ta mezi roky 2009 a 2013 obíhala jen ve výšce 250 kilometrů, což bylo nezbytné kvůli určení družice. Jejím úkolem bylo velmi přesně zmapovat odchylky zemské gravitace. Čím dále by družice od naší planety byla, tím horší přenosnosti měření by dosáhla. Aby kompenzovala problémy se zbytky atmosféry, byla družice GOCE vybavena křidélky a iontovým pohonem, který pracoval prakticky neustále.

GOCE

GOCE
Zdroj: http://www.esa.int/

Na velmi nízké dráhy se v současné době začíná zaměřovat pozornost mnoha firem. Zájem o tuto dráhu mají třeba poskytovatelé telekomunikačních služeb. Signály z družic cestují rychlostí světla a urychlit se nedají. Jedinou možností, jak zkrátit zpoždění (latenci) mezi pozemními středisky a družicemi na oběžné dráze, je zkrácení přenosové vzdálenosti. Jinými slovy – čím níže budou družice kroužit, tím kratší cestu signál urazí a tím menšího zpoždění dosáhneme. Už méně se ale mluví o tom, že pro přenos signálu na menší vzdálenost potřebujeme menší anténu. A jestli něco malé družice ocení, tak jsou to právě úspory hmotnosti a rozměrů jednotlivých konstrukčních prvků. Operátoři nabízející komunikační služby však nejsou jedinými firmami, které stojí o velmi nízké oběžné dráhy. O tuto dráhu se zajímají také firmy zajišťující snímkování zemského povrchu. I zde je důvod jasný – čím blíže se snímkovací družice dostane k povrchu, tím lepší detaily (menší objekty) dokáže zachytit.

Tryska testovacího motoru

Tryska testovacího motoru
Zdroj: http://www.esa.int/

Nově uzavřená dohoda počítá se společným vývojem s hodnotou v řádu milionů euro. Analýza komerčního potenciálu přitom ukazuje přínosy v řádu stovek milionů euro. Dá se očekávat, že o iontový pohon čerpající pohonné látky z atmosféry budou mít zájem nejen výše zmínění provozovatelé mnohačetných družicových sítí, ale i armády.

Týmy specialistů ze SpaceLab EU i z Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu již společně pracují na základech projektu v pražských Letňanech v prostorách VZLÚ. Tady se rodí počítačové simulace, ale i experimentální hardware. Specialisté tu mají k dispozici příslušné laboratorní vybavení včetně nových čistých prostor, které jsou nezbytné k provádění experimentů. Počítá se i s přípravou inženýrského modelu, který bude otestován v kosmickém prostředí.

Fotografie z experimentu (foto: Michaela Martínková)

Fotografie z experimentu (foto: Michaela Martínková)
Zdroj: https://www.vzlu.cz

Zdroje informací:
https://www.vzlu.cz/

Zdroje obrázků:
http://danielmarin.naukas.com/…D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C.jpg
http://www.esa.int/…/17399316-2-eng-GB/Air-breathing_electric_propulsion.jpg
http://www.esa.int/…/test_set-up/17399205-1-eng-GB/Test_set-up.png
http://www.esa.int/…/sunny_side_of_goce2/9813846-3-eng-GB/Sunny_side_of_GOCE.jpg
http://www.esa.int/…/17399355-1-eng-GB/Thruster_inside_vacuum_chamber.jpg
https://www.vzlu.cz/images/thumbs2/p3210002-20181121100322.jpg

Špičkový iontový pohon z České republiky, 5.0 out of 5 based on 25 ratings
Pin It
(Visited 6 424 times, 3 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (25 votes cast)
(Visited 6 424 times, 3 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


26 komentářů ke článku “Špičkový iontový pohon z České republiky”

  1. tycka napsal:

    “Limitujícím faktorem, který omezuje životnost družic je objem nádrží s pohonnými látkami. ”
    Údajně se i u telekomunikačních družic nevyužívá plné nosnosti rakety – tedy nevím, proč se nepřidá prostě víc nádrží do vyčerpání nosnosti. Jejich postupné přepínání by snad spolehlivost nezhoršilo – netušíte někdo proč je tomu tak ?

    • android napsal:

      Protože více paliva není potřeba. Technologické zastarávání družic je tak rychlé, že je vhodné je vyměnit rychleji než je životnost aparatury. Tedy dávat jim více palivs nemá smysl. Tyto družice obíhají na drahách, které již nemají takové problémy s odporem atmosféry. Ale mají vyšší latence pro “ping”.

      Přichází ale nové požadavky na komunikaci. Například připojit 100 000 000 internetových přípojek na zemi pro rychlou obousměrnou komunikaci za malou cenu a to se nedá dosáhnout desítkami či stovkami družic na drahách 500km+. Družic musí být desetitisíce. A zde je výhodné aby družice byly malé=lehké=levné a na drahách pod 300km.

      Mimochodem: užívejte si pohled na hvězdné nebe kde se tohoho moc nehýbe. Za 10 let bude nebe plné malých pohybujících se bodů. Bude nám to možná dost líto, že to staré nebe už nevidíme a budeme požadovat aby družice nebyky na oběžných drahách vidět.

      • Vojta napsal:

        Dnes se bohužel na nebe skoro nikdo nedívá, což je obrovská škoda. Navíc pokud veřejně navrhnete, že by se mělo něco dělat se světelným znečištěním, tak jste okamžitě zařazen do škatulky “ekoterorista”.

        S těmi družicemi na velmi nízkých drahách to nebude tak hrozné, pokud jde o zaneřádění noční oblohy. Pokud nebudou samy aktivně svítit (ten iontový motor by mohl, pokud bude provozován i na baterie), tak budou vidět jen krátce po západu a před východem Slunce. Po zbytek noci se od nich nebude mít co odrážet.

        • android napsal:

          No jo u těhle na nízkých drahách to platí… jenže ty desetiticíce družic jsou plánovány na dráhy cca 600-700 a 1100-1200km a to budou vidět hodně dlouho než zapadnou za obzor. A solárních panelů budou muset mít dost protože i spotřeba vysílačů na palubě bude větší než běžná.

      • malky napsal:

        Vzhledem k svetelnemu znecisteni si nemyslim ze druzice udelaji nejakou velkou zmenu. Uz takhle je jenom par mist, odkud se da videt vic nez jen Mesic. A za sebe musim rict ze se na nocni nebe na kterem se toho hodne deje tesim 🙂

        • Radim napsal:

          Nojo, ale kdo má pak fotit trajektorie hvezd?
          Když už se trefí oblast kde neletí letadlo, tak je to ‘přeškrtnutý’ družicí…

        • ventYl napsal:

          To je problem, ktory je do znacnej miery riesitelny riesitelny stackingom. pri star trailoch by sa na to asi muselo trocha inac ako ked sa foti staticky zaber ale je to zvladnutelne.

  2. ZDENĚK napsal:

    Tak to koukám.

  3. Filip napsal:

    Jsou k dispozici nějaké technické parametry, jako např. výkon motoru a hmotnost?

    • Dušan Majer napsal:

      Projekt je zatím ve fázi vývoje, takže si i kvůli utajení budeme muset na detaily chvíli počkat.

    • David R. napsal:

      Čísla nemám, ale zkusím Vám k tomu napsat, co vím, třeba Vás to bude zajímat. Čerpáno z různých zdrojů.
      Předně, ten motor potřebuje veliký nasávací otvor, protože ta atmosféra je tam opravdu řídká. A v tom je hlavní problém, protože tím vzniká brzdná síla. A motor musí být schopen vyvinout tah, který tuto sílu překoná. Tento klíčový požadavek už se letos podařilo splnit. Pochopitelně, celá družice musí být v podstatě “schovaná” za tímto “lapačem molekul”, protože kdyby byla širší, tak by se zvětšovala ta brzdná síla, ale ne p59sun paliva. Jenže je tu další zádrhel: Družice letí střídavě 3/4 hodiny na světle a 3/4 hodiny ve tmě (heliosynchronní dráha nás nezajímá, protože leží ve výšce, kde tento typ motoru nemá smysl). To má dvě řešení: 1. Baterie, schopné napájet motor po dobu 45 minut. 2. Tlakový zásobník, kde se uloží ve tmě nabrané “palivo” a použije se na světle. Toto zatím, jestli se nepletu, vyřešené není, ale ty baterie by neměly být problém. Družice může být o kousek těžší a delší, a motoru to nevadí. Pak je třeba mít potřebný výkon solárních článků, ale ty nesmí brzdit. Takže ano, podélná křídla, přesně jako GOCE. Nelze je naklápět ke Slunci. Takže se plocha musí předimenzovat, a přidat další baterie. Pak tu máme antény – opět, nesmí brzdit. Už naštěstí existují ploché antény (viz např. cubestay MARCO). Ale ty budou soupeřit o místo se solárními panely, takže si možná ještě někdo “pohraje” s tím, aby solární panely byly současně anténami. Dnešní typizované družice tedy absolutně nepůjdou použít (jako že by jen dostaly nový motor) – bude třeba celou konstrukci podrobit novým pravidlům hry. Bude to jako když se dělá stihačka, zatímco dnešní družice mají spíš aerodymaniku obilného kombajnu. Sečteno a podtrženo, hned tak to hotové nebude. Pokud to zůstane v rukou státních institucí, deset let je minimum. Ale stejně se na to těším.

      • David napsal:

        Mohou používat i jaderný reaktor

      • kuban napsal:

        připadá mi, že velký “nasávací” otvor nebude brzdit, protože to bude pohon – stejně jako u proudového, nebo lépe náporového motoru
        zajímalo by mě, jak by měl být nasávací otvor dlouhý (aby docházelo k vhodnému směrování do motoru a také nedocházelo k rychlému opotřebení), nebo jestli to bude celé vyřešeno jinak

      • Josef Waters napsal:

        Na schématu principu na druhém obrázku to vypadá jako by vstupní hrdlo nasávalo řídkou atmosféru z širokého okolí. To asi grafik přehnal …

        • maro napsal:

          Nepřehnal. Tohle schéma je jen ta pohonná jednotka. Vlastní užitečné přístroje družice jsou právě v tom prostoru prstence za tím nasávacím trychtýřem, okolo toho motoru.

        • Josef Waters napsal:

          Maro: Nevím, na mě to působí podobně jako tady obrázek znázorněný s družicí GOCE:
          http://jdem.cz/emhu25
          Jako by to mělo nasávat vzduch z širokého okolí – podtlakem ve vákuu 😉 a při té rychlosti … ?

        • maro napsal:

          Vždyť na tom obrázku vidíte, že celá družice je krásný x-boký hranol, ze kterého trčí akorát tak podélné sloární panely. Žádný trychtýř.

      • gg napsal:

        “protože kdyby byla širší, tak by se zvětšovala ta brzdná síla, ale ne p59sun paliva”

        Proč by se nezvětšoval přísun paliva?

    • David napsal:

      U výkonu: když by byla plocha solárních penelů 20 m2, výkon by byl cca 250 W/m2× 20m=5000W, účinnost je cca 60%, takže 3000W=3KW( asi pět koňských sil). Jinak síla motoru při těchto rozměrech by byla cca 30 N, což je velmi málo, ale na iontový motor je to dobré

      • kuban napsal:

        to by platilo jenom při kolmém dopadu paprsků
        tady ale budou muset panely kopírovat zakřivení Země kvůli odporu atmosféry, takže toho kolmého dopadu moc nebude
        na druhou stranu – GOCE úspěšně fungovala (tím myslím fotovoltaiku), použití by tedy nemusel být takový problém

  4. lvy napsal:

    Ta úvodní fotka vypadá jako reklama na jistého operátora. Jsem si říkal, co se to děje. 🙂

  5. just4info napsal:

    Snad to nebude velmi OT, kedze tema by sa “zhodovat” mohla. 🙂
    “Prototyp lietadla … využíva iónový vietor, ktorý vytvára.”
    http://dsl.sk/article.php?article=21835

  6. David napsal:

    Ohoo.
    Že by bussardovy kolektory byly nakonec vyvinuty tady u nás? 🙂

Zanechte komentář