Lo sviluppo di nuovi propellenti per i satelliti per sostituire l'idrazina tossica renderebbe il lancio e la gestione dei satelliti più sicuri, ma richiederebbe anche l'interruzione dei sistemi attuali, secondo i ricercatori.

Man mano che il numero di satelliti aumenta, così sarà la quantità di carburante che usiamo per lanciarli. E entrare in orbita è solo metà dell'equazione. Una volta che un satellite è in posizione sopra la Terra, ha bisogno di un metodo di propulsione per assicurarsi che possa muoversi se necessario, evitando i detriti spaziali, compensare la resistenza nel tempo, e persino deorbitando se stesso alla fine della sua missione.

L'attuale propellente standard per i satelliti è il carburante a base di idrazina, che è altamente tossico. L'esposizione ad alti livelli di idrazina può causare una serie di problemi di salute, compreso il danno al fegato, reni e sistema nervoso centrale. Se l'idrazina si rovescia mentre un satellite è ancora a terra, la sua natura violenta ed esplosiva può diventare un problema di sicurezza pubblica.

Preparare per lo spazio un satellite alimentato a idrazina è un compito pericoloso che richiede precauzioni speciali per chiunque sia coinvolto, compresi indumenti simili a tute spaziali che assicurano, se qualcosa dovesse andare storto, le persone che maneggiano il carburante non respirerebbero il gas stesso. "Sembrano un po' un omino Michelin, " ha detto il dottor Norbert Frischauf, un partner della società di consulenza spaziale SpaceTec Partners in Belgio.

Quindi non sorprende che gli ingegneri siano alla ricerca di nuovi, modi più puliti per lanciare e spingere i satelliti che utilizzano invece combustibili non tossici. "L'idrazina è piuttosto spiacevole con cui lavorare dal punto di vista della salute e della sicurezza, quindi stiamo vedendo molto più interesse per questo tipo di propellenti, "ha detto Erikas Kneižys, Chief Design Officer presso NanoAvionics, un produttore di attrezzature per veicoli spaziali con sede in Europa e negli Stati Uniti.

Nel 2011, l'Agenzia europea per le sostanze chimiche ha aggiunto l'idrazina al suo elenco di "sostanze estremamente preoccupanti", il che significa che il suo utilizzo potrebbe presto essere limitato.

CubeSat

NanoAvionics è specializzata nella tecnologia per i nanosatelliti, inclusi CubeSat, che sono satelliti in miniatura fatti di unità a forma di cubo di 10 cm, tipicamente costruito utilizzando componenti standard e del peso di circa 1 kg ciascuno. Man mano che i satelliti più piccoli come questi diventano più comuni - NanoAvionics afferma che c'è stato un aumento del 300% dei lanci di piccoli satelliti tra il 2016 e il 2020 - è probabile che la domanda di propellenti puliti adatti a loro aumenterà.

"Sostanzialmente non c'erano prodotti quando si guardava al mercato CubeSat e quando si guardava in particolare alla propulsione (chimica) che utilizzava (carburante pulito), " ha detto Kneižys. "Quindi abbiamo visto questa nicchia e abbiamo iniziato a lavorarci."

Attraverso un progetto intitolato EPSS, NanoAvionics ha sviluppato un propellente meno dannoso a base di dinitramide di ammonio, o ADN, un composto costituito da azoto, ossigeno, e idrogeno, soprattutto per i piccoli satelliti. Il sistema è stato integrato in un satellite pilota ed ha subito una dimostrazione in orbita.

Il nuovo sistema è noto come monopropellente, che funziona facendo passare il carburante su un catalizzatore che ne provoca la decomposizione, producendo calore e gas che spingono il veicolo spaziale. Altri sistemi utilizzano un bipropellente, in cui due liquidi sono mantenuti separati e tipicamente si accendono durante la miscelazione.

L'uso di un bipropellente aumenta il rischio durante la produzione, dice Kneižys, in quanto le due sostanze potrebbero accidentalmente entrare in contatto e incendiarsi prima del dovuto. "Nel nostro monopropellente devi percorrere chilometri per assicurarti che bruci, quindi è relativamente benigno e stabile rispetto a (la maggior parte) dei sistemi bipropellenti, " disse Kneižys.

Ma non sono solo i satelliti più piccoli che potrebbero trarre vantaggio dal propellente non tossico.

IproGEO, un progetto coordinato dalla compagnia aerospaziale Airbus, ha anche sviluppato un sistema di propulsione atossico, questa volta concentrandosi sui satelliti in orbita geostazionaria attorno alla Terra. In orbita a 36, 000 chilometri, questi satelliti sembrano rimanere in un punto fisso sopra la superficie terrestre e sono tipicamente usati per cose come comunicazioni e trasmissioni.

"Per salire lassù, ci vuole molta energia, " afferma il Dr. Frischauf di SpaceTec Partners, un membro del consorzio HyproGEO.

Proprio adesso, quell'energia è fornita principalmente da propellenti a base di idrazina. Ma HyproGEO ha sviluppato un sistema di propulsione ibrido che utilizza invece il perossido di idrogeno. Il carburante, che è perossido di idrogeno al 98%, rispetto al 6% circa della soluzione che useresti per sbiancare i capelli, è altamente acido, ma ancora meno rischioso da lavorare rispetto all'idrazina. Si scompone anche in ossigeno e acqua, evitando l'emissione di fumi dannosi per l'uomo.

I satelliti geostazionari sono progettati per durare un decennio o più, quindi il propellente, che serve anche per manovrarli una volta che sono in orbita, deve essere altrettanto robusto. "Devi assicurarti che funzionerà ancora dopo 15 anni, quindi dovrebbe essere un sistema semplice, perché se è complicato c'è sempre il rischio che si rompa qualcosa, " ha detto il dottor Frischauf.

Ibrido

La soluzione escogitata da HyproGEO è stata quella di utilizzare la propulsione ibrida, che comporta il passaggio del perossido di idrogeno su un catalizzatore per produrre ossigeno molto caldo e vapore acqueo. Quell'ossigeno può fornire la propulsione da solo, oppure può essere usato per accendere un'altra sostanza per una spinta extra. "Quando controlli il flusso dell'ossigeno, puoi controllare la spinta del motore, " ha detto il dottor Frischauf.

Il team ha sviluppato con successo un motore di prova per immagazzinare il nuovo propellente, ha mostrato che si è decomposto come previsto, e poi progettò un motore a razzo usando il carburante. Poiché tale lavoro è stato completato nel 2018, La società di difesa norvegese Nammo ha utilizzato il motore ibrido HyproGEO per lanciare un razzo a 107 km dalla superficie terrestre in soli tre minuti, una tempistica tipica dei razzi suborbitali che utilizzano sistemi di propulsione tradizionali.

L'uso di questi nuovi propellenti non avvantaggia solo le persone che lavorano con gli attuali combustibili tossici, rende l'intera infrastruttura più efficiente e anche più economica. Kneižys afferma che il sistema EPSS progettato da NanoAvionics costa circa un terzo di prodotti simili che utilizzano propellenti tradizionali.

Con tutti questi vantaggi, cosa trattiene questi nuovi propellenti? Per uno, i sistemi di propulsione ibrida tradizionalmente non sono stati in grado di sparare a lungo termine necessari per mettere i satelliti in orbita geostazionaria, un problema che HyproGEO è riuscito a superare.

E l'industria ha già predisposto procedure per gestire i combustibili tradizionali come l'idrazina:il passaggio a qualcosa di nuovo richiede l'interruzione di quei sistemi, disse il dottor Frischauf. "Ci vuole sempre un po' di slancio, una piccola spinta per assicurarsi che la nuova tecnologia possa prevalere".