Sateliti na pogon z vodo? Revolucionarno pogonsko gorivo, ki spreminja vesoljske polete

Pogon vode za satelite lahko uporablja pogon s paro (resistojet), elektrolizo v vodik in kisik za zgorevanje ali vodno-plazemske/ionske potisnike za pogon z visokim ISP.
Vigoride podjetja Momentus Space uporablja mikrovalovni elektrotermični potisnik (MET), ki z mikrovalovi in sončno energijo segreva vodo do vrelišča v plazmo in jo izstreljuje kot visokenergijski curek.
Januarja 2023 je Vigoride-5 podjetja Momentus izvedel 35 vžigov potisnika in s pogonom na vodo dvignil svojo orbito za približno 3 km.
Leta 2018 so sateliti HawkEye 360 Pathfinder in radarjski satelit Capella Space uporabljali vodne potisnike Comet podjetja DSI za vzdrževanje orbite, kar je pomenilo prvo komercialno uporabo vodnega pogona v vesolju.
Leta 2019 je CubeSat AQT-D Univerze v Tokiu, izstreljen z ISS, testiral vodni resistojet za nadzor orientacije in manjše spremembe orbite.
NASA-jeva misija Pathfinder Technology Demonstrator-1 (PTD-1) leta 2021 je na 6U CubeSatu nosila pogonski sistem Hydros na osnovi elektrolize vode za demonstracijo pogona z elektrolizo v vesolju.
ArianeGroup načrtuje demonstracijo ESMS v orbiti do jeseni 2026 z dvojnim vodnim motorjem, ki v približno 90 minutah elektrolizira vodo, nato pa izvede 30-sekundni bipropelentni vžig, doseže približno 300 sekund Isp in naj bi stroške pogona zmanjšal za do tretjino.
Pale Blue-ov potisnik PBR-20 (1 mN potiska, več kot 70 s Isp) je bil testiran v letih 2019 in 2023, večji PBR-50 (10 mN) je bil izstreljen v začetku 2024, podjetje pa načrtuje prvi 1U-velik vodni ionski motor na dveh D-Orbit rideshare misijah v 2025.
Do leta 2024 so vodni potisniki postali del operativnih flot, saj sateliti Hawkeye 360, Capella in BlackSky Gen-2 uporabljajo vodni pogon Comet za vzdrževanje orbite.
Demonstracija WINE iz leta 2019, ki sta jo izvedla UCF in Honeybee Robotics, je rudarila simuliran led asteroida za pridobivanje vode in poganjanje parnega raketnega potiska, kar prikazuje potencial za oskrbo z gorivom v vesolju in »življenje od virov na kraju samem«.

Predstavljajte si prihodnost, kjer satelitov ne poganjajo strupena goriva ali redki plini, temveč navadna voda. Morda zveni kot znanstvena fantastika, a pogoni na vodo za satelite hitro postajajo resničnost. Ti novi pogonski sistemi uporabljajo H₂O kot pogonsko sredstvo – bodisi z izstreljevanjem pregrete pare ali z razbijanjem vode na vodik in kisik za zgorevanje – za manevriranje vesoljskih plovil v orbiti. Privlačnost je očitna: voda je poceni, obilna, zelena in veliko varnejša za ravnanje kot tradicionalna raketna goriva ^[1], ^[2]. Kot je dejal upokojeni astronavt Chris Hadfield, je možnost poganjanja vesoljskih plovil zgolj s sončno energijo in destilirano vodo »velika svoboda«, še posebej, ker je voda v vesolju široko dostopna (od luninih kraterjev do ledu kometov) ^[3]. V tem poročilu bomo raziskali, kako deluje pogon na vodo, njegove prednosti in slabosti ter najnovejše preboje (do leta 2025), ki to tehnologijo iz eksperimentalnih demonstracij potiskajo v splošno uporabo.

Kako delujejo satelitski potisniki na vodni pogon?

Sama voda ne gori kot običajno gorivo – je reakcijska masa, ki se energizira in izloči za ustvarjanje potiska. Obstaja nekaj domiselnih načinov, kako so inženirji omogočili motorje na vodni pogon:

Parni pogon (elektrotermični potisniki): Najenostavnejši pristop je segrevanje vode v visokotlačno paro in njen izpust skozi šobo za ustvarjanje potiska. Ti “parni raketni” ali rezistojetni dizajni uporabljajo električne grelce ali mikrovalovno energijo za vrenje vode. Na primer, vozilo Vigoride podjetja Momentus Space uporablja mikrovalovni elektrotermični potisnik (MET), ki “segreva vodo z uporabo sončne energije v mikrovalovih” dokler ne zavre v plazmo, ki izstopa kot visokenergijski curek ^[4]. To je podobno, kot bi na čajnik ali mikrovalovno pečico namestili šobo – izpuščena vroča para potisne satelit. Parni potisniki imajo nizek potisk, a so zelo varni in mehansko preprosti. Japonski startup Pale Blue je tak sistem dokazal v orbiti leta 2023, ko je z vodnim rezistojetom prilagodil tirnico majhnega Sonyjevega satelita za nekaj kilometrov ^[5]. Pale Bluejeva zasnova shranjuje vodo pri nizkem tlaku in jo uparja pri zmernih temperaturah, kar je omogočilo dve minuti neprekinjenega delovanja v vesolju ^[6].
Elektroliza (vodni raketni motorji): Bolj energična metoda je, da razcepimo vodo na vodik in kisik (prek elektrolize) in nato to zmes zgorevamo v mini raketnem motorju. V bistvu satelit nosi netlačeno tekočo vodo, nato pa z električno energijo iz sončnih celic po potrebi proizvaja vnetljive pline. NASA-in Hydros motor, razvit v sodelovanju s Tethers Unlimited, je bil pionir tega pristopa ^[7]. Ko je enkrat v orbiti, Hydros elektrolizira vodo v H₂ in O₂, ki se shranjujeta v mehurjih, nato pa ju vžge v komori za izbruhe potiska ^[8]. To je »hibrid električnega in kemičnega pogona«, pojasnjuje direktor Tethers Unlimited Robert Hoyt – sončna energija opravi delo razcepa vode, vendar zgorevanje zagotovi močan potisk ^[9]. Evropski inženirji pri ArianeGroup razvijajo podoben sistem: velik rezervoar za vodo napaja elektrolizer, plina vodik/kisik pa se vžgeta po približno 90 minutah generacije, kar daje približno 30 sekund potiska na cikel ^[10]. Ta ciklični proces polnjenja in zgorevanja lahko zagotovi veliko večje ravni potiska kot električni ionski motorji (ArianeGroup ocenjuje do 14× več potiska na vhodno moč kot ionski motorji s Hallovim učinkom) ^[11]. Kompromis je zmeren specifični impulz – tj. učinkovitost goriva – ki je med običajnim kemičnim in električnim pogonom ^[12]. Kljub temu so zmogljivosti impresivne: »Hidrazin ima specifični impulz 200 s v primerjavi s 300 s za vodo,« poudarja Jean-Marie Le Cocq iz ArianeGroup, ki njihov vodni motor primerja v prid zastrupljajočemu gorivu, ki bi ga lahko nadomestil ^[13].
Ionski in plazemski potisniki na vodo: Voda lahko služi tudi kot pogonsko sredstvo v naprednih električnih pogonskih sistemih. V teh zasnovah se vodna para ionizira ali drugače vzbudi v plazmo, nato pa jo elektromagnetna polja pospešijo za ustvarjanje potiska (podobno kot ksenonski ionski motor). Na primer, Pale Blue razvija ionski potisnik na vodo, ki uporablja mikrovalovni plazemski vir za atomizacijo vodnih molekul in izmet ionov za potisk ^[14]. Takšni sistemi lahko dosežejo veliko višji specifični impulz (500+ sekund), ker se pogonsko sredstvo izloča pri izjemnih hitrostih ^[15]. Podobno so raziskovalci testirali potisnike na vodno napajanje z lokom (~550 s Isp) in mikrovalovne plazemske potisnike (do 800 s Isp) ^[16] – zmogljivosti, ki so primerljive ali presegajo številne najsodobnejše električne potisnike. Izziv tukaj je upravljanje generacije plazme in preprečevanje korozije elektrod zaradi stranskih produktov vode. Toda potencial je ogromen: visokozmogljivi potisniki na vodo bi lahko naredili vodo bolj masno učinkovito kot tradicionalna goriva za določene misije ^[17]. To so še vedno nastajajoče tehnologije; prva Pale Blue-ova preizkusa ionskega motorja na vodo v orbiti sta predvidena za leto 2025 prek dveh misij s prevoznim plovilom D-Orbit ^[18]. V prihodnosti bi lahko hibridni potisniki celo združevali načine – npr. dvojen sistem, ki ponuja visoko potisne parne izbruhe po potrebi in učinkovito ionsko pogonsko sredstvo za dolgotrajno križarjenje ^[19].

V vseh primerih je osnovna ideja uporaba električne energije (iz sončnih celic) za dodajanje kinetične energije masi vode in njeno izstrelitev za pogon. Sama voda je inertna in nestrupena, kar jo naredi izjemno priročno – shranjujemo jo lahko kot tekočino (pri izstrelitvi niso potrebni visokotlačni rezervoarji) in ne bo eksplodirala ali zastrupila upravljavcev. Pogon se “prebudi” šele, ko je satelit varno v orbiti in je na voljo energija za segrevanje ali elektrolizo vode. Ta po potrebi aktiviran način je prav tisto, zaradi česar NASA vlaga v pogone na osnovi vode za male satelite: “PTD-1 bo to potrebo izpolnil s prvo demonstracijo vesoljskega pogonskega sistema na osnovi elektrolize vode v vesolju,” je povedal David Mayer, vodja projekta za testno misijo leta 2021 ^[20]. V naslednjih poglavjih bomo raziskali, zakaj je ta koncept tako privlačen – in kakšni izzivi še ostajajo.

Prednosti pogona na vodo

Varnost in preprostost: Tradicionalna pogonska goriva za satelite, kot sta hidrazin ali ksenon, so bodisi zelo strupena, jedka ali zahtevajo močno tlačenje. Voda pa je po drugi strani “najvarnejše raketno gorivo, kar jih poznam,” poudarja Mayer ^[21]. Je nestrupena, negorljiva in stabilna pri sobni temperaturi, kar močno poenostavi in poceni integracijo ter izstrelitev ^[22]. Ni potrebnih zaščitnih oblek ali zapletenih postopkov polnjenja goriva – “lahko dovoliš, da se z njo igrajo študenti, pa se ne bodo zastrupili,” se pošali direktor podjetja Tethers Unlimited ^[23]. Ta varnostni dejavnik je še posebej pomemben za CubeSate, ki si delijo rakete z dragimi primarnimi tovori, kjer stroga pravila pogosto prepovedujejo eksplozive ali visokotlačne rezervoarje na krovu ^[24]. Sistemi na pogon z vodo ostanejo nenevarni, dokler niso aktivirani v orbiti, kar olajša varnostne zahteve na izstrelišču. To je odprlo vrata tudi najmanjšim CubeSatom za uporabo pogona, kar je bilo prej zaradi varnostnih omejitev goriva nedovoljeno.

Nizki stroški in razširjenost: Voda je izjemno poceni in univerzalno dostopna. Ni ozkih grl v dobavni verigi – katerakoli izstrelišča na svetu lahko zlahka pridobijo čisto vodo (in jo nekaj tudi razlijejo brez posledic). “Voda je na voljo povsod na Zemlji in jo je mogoče prevažati brez tveganja,” poudarja Nicholas Harmansa iz ArianeGroup, ki je prepričan, da je “voda gorivo prihodnosti” ^[25]. Cena vode na liter je le nekaj centov, medtem ko so eksotična električna pogonska sredstva, kot je ksenon, podvržena nihanju cen in dobave. Tudi strojna oprema za vodne potisnike je lahko cenejša: ni potrebe po težkih tlačnih posodah ali cevovodih za strupene materiale. Po ocenah ArianeGroup lahko uporaba vode skupne stroške pogonskega sistema zmanjša za trikrat v primerjavi s konvencionalnimi sistemi ^[26]. Evropska vesoljska agencija je ugotovila, da bi satelit mase 1 tono lahko prihranil približno 20 kg mase s prehodom iz hidrazina na motor z elektrolizo vode, poleg “bistveno nižjih stroškov ravnanja in polnjenja” ^[27]^[28]. Za komercialne operaterje ti prihranki v masi in denarju pomenijo večjo nosilnost in manjše tveganje.

Dopolnjevanje goriva in trajnost v vesolju: Morda je najbolj vznemirljiva prednost ta, kako bi lahko pogon na vodo omogočil trajnostno vesoljsko infrastrukturo. Voda ni le pogosta na Zemlji – obilno je prisotna po celotnem Osončju. Ledeniki na Luni, Marsu, asteroidih in na lunah, kot je Evropa, so v bistvu “vesoljske bencinske črpalke”, ki čakajo, da jih izkoristimo ^[29]. Za razliko od strupenih goriv, ki bi za ponovno proizvodnjo zunaj Zemlje potrebovala zapletene kemične tovarne, lahko vodo rudarimo in neposredno uporabimo kot pogonsko sredstvo po minimalni obdelavi. To ima ogromne posledice za raziskovanje globokega vesolja: vesoljsko plovilo bi lahko napolnilo svoje rezervoarje z zbiranjem ledu na cilju in nato potovalo naprej v nedogled. Pionirska demonstracija tega koncepta se je zgodila leta 2019, ko je ekipa z UCF in Honeybee Robotics preizkusila prototip WINE (World Is Not Enough), majhnega pristajalnika, ki je rudaril simulirani asteroidni led in ga uporabil za ustvarjanje potiska s parnim raketnim motorjem^[30]. WINE je uspešno vrtal po ledeni regolitu, izločil vodo in odskočil v vakuumski komori na curku pare – s tem je dokazal, da lahko vozilo “živi od zemlje” in si samo dopolni gorivo za “večno raziskovanje” ^[31]. Na dolgi rok bi lahko vesoljska plovila na vodni pogon potovala od asteroida do asteroida, ne da bi kdaj potrebovala oskrbo z Zemlje ^[32]. Tudi pri operacijah v bližini Zemlje podjetja, kot je Orbit Fab, vidijo v vodi kandidata za storitve orbitalnega dopolnjevanja goriva, saj je z njo zelo enostavno ravnati. Vse to naredi pogon na vodo za temelj prihodnjega vesoljskega gospodarstva, ki ga vizionarji želijo zgraditi: “vodo vidimo kot temeljni vir, ki je ključen za to gospodarstvo,” pravi Hoyt, ki načrtuje naslednjo generacijo potisnikov Hydros s priključki za dopolnjevanje goriva za neomejeno življenjsko dobo ^[33].

Okoljska in operativna čistoča: Kot zeleno pogonsko gorivo voda ne proizvaja škodljivih izpuhov – le vodno paro ali sledove vodika/kisika, ki hitro izhlapijo. To je odlično ne le za Zemljino okolje, temveč tudi za občutljive sisteme vesoljskih plovil. Optični senzorji ali zvezdni sledilniki ne bodo zamegljeni zaradi ostankov, prav tako ni nevarnosti korozivnega vpliva izpušnih plinov na občutljive površine ^[34]. Chris Hadfield poudarja, da so pogoni na osnovi vode idealni za servisne misije, kot je dvigovanje starajočega se teleskopa Hubble, ker “[Hubble] ne sme biti poškropljen z nobeno vrsto ostankov pogonskega goriva” ^[35]. Nežen, nadzorovan potisk iz vodnega plazemskega motorja lahko dvigne ali zniža orbite brez močnih sunkov kemičnih motorjev, kar zmanjša mehanske obremenitve med občutljivimi operacijami ^[36]. Skratka, pogon na vodo je prijaznejši ne le do tistih, ki izstreljujejo in gradijo satelite, temveč tudi do samih satelitov in njihovih nebesnih sosedov.

Ilustracija majhnega satelita, ki v orbiti uporablja pogon na osnovi vode. Pogon na vodo je mogoče doseči z električnim segrevanjem ali elektrolizo vode za ustvarjanje potiska, kar ponuja varnejšo in “zeleno” alternativo tradicionalnim kemičnim raketam ^[37]^[38].

Izzivi in omejitve

Če je pogon na vodo tako odličen, zakaj ga že ne uporabljajo vsi sateliti? Kot pri vsaki novi tehnologiji obstajajo kompromisi in ovire, ki jih je treba premagati:

Nižji potisk (v nekaterih načinih): Resistojetni potisniki na čisto vodo imajo običajno precej nizek potisk v primerjavi s kemičnimi raketami. Vrelo vodo je mogoče izstreliti le z določeno hitrostjo (kar običajno daje specifični impulz v razponu 50–100 sekund za preproste parne potisnike ^[39], ^[40]). To je povsem v redu za majhne CubeSate, ki izvajajo nežne popravke, vendar pomeni, da so manevri počasni. Parni potisnik s 50 s Isp zagotavlja »veliko slabše razmerje med vložkom in učinkom« glede na impulz kot tipični hidrazinski potisnik s 300 s Isp ^[41]. Industrija se tega loteva s prehodom na bolj energijske pristope, kot so plazemski potisniki (500+ s Isp) in vodna bipropelentna zgorevanja (~300 s Isp) ^[42], ^[43]. Kljub temu je razmerje potisk/moč omejevalni dejavnik – za dosego pomembnega potiska iz vode potrebujete veliko električne energije. Na majhnih satelitih je moč omejena, zato obstaja zgornja meja potiska, razen če imajo velike sončne celice ali druge vire energije. Zato bodo tudi najboljši vodni ionski motorji primerni za počasno dvigovanje orbite, ne pa za hitre orbitalne prenose (zaenkrat). Inženirji morajo skrbno pretehtati, ali je mogoče zahteve misije glede delta-V in časa izpolniti z električnim vodnim potisnikom ali pa je potreben kemični sistem z večjim potiskom.

Energijske in toplotne zahteve: Vodo je morda enostavno shranjevati, vendar njena pretvorba v vroč plin ali plazmo zahteva veliko energije. Zlasti elektroliza je energijsko potratna – razcep vode je po naravi neučinkovit, nato pa je treba pline še vžgati. Elektrolizatorji in grelniki dodajajo kompleksnost in so lahko točke odpovedi. Upravljanje toplote je še ena težava: sistemi za vrenje ali plazmo lahko delujejo pri visokih temperaturah, kar je v vakuumu vesolja zahtevno, saj je hlajenje oteženo. Hoyt iz Tethers Unlimited je izpostavil izzive materialov pri delu z »vodikom, kisikom in pregreto paro« – korozija in onesnaženje lahko zlahka poslabšata delovanje sistema ^[44]. Načrtovalci morajo uporabljati posebne premaze in ultra čisto vodo, da preprečijo mašenje elektrod in zagotovijo dolgo življenjsko dobo ^[45]. Te težave se postopoma rešujejo (z boljšimi materiali in na primer z izolacijo elektrolizatorja od zgorevalne komore), vendar so bila za zanesljiv motor potrebna leta raziskav in razvoja. Pravzaprav se je kljub temu, da je NASA o vodnih raketah teoretizirala že od 60. let prejšnjega stoletja, šele pred kratkim pojavil »praktičen motor na vodno elektrolizo« zaradi tehničnih ovir^[46].

Kompromis med zmogljivostjo in shranjevanjem: Voda je obsežna. Ima spodobno gostoto (1 g/mL, podobno kot številna tekoča goriva), vendar sama po sebi ne ponuja kemične energije. To pomeni, da bo za misije z visokim delta-V rezervoar za vodo morda moral biti večji kot rezervoar za bolj energijska pogonska sredstva. Prednost vode je, da lahko napredni potisniki dovajajo zunanjo energijo, da to nadomestijo. Na primer, mikrovalovni elektrotermični potisnik, ki v vodo dovaja 5 kW, lahko doseže ~800 s Isp ^[47], kar pomeni, da iz vsake kapljice vode iztisne več zmogljivosti. Toda te ravni moči so na voljo le na večjih vesoljskih plovilih. Majhni sateliti so morda omejeni na nižji Isp, zaradi česar je voda za njih manj učinkovita po masi. Obstaja tudi vprašanje upravljanja vode v orbiti: lahko zmrzne, če cevi ali rezervoarji niso ogrevani, ali pa povzroči nestabilnosti potiska, če nepredvidljivo preide v paro. Inženirji to omilijo s skrbnim toplotnim nadzorom in regulacijo tlaka (npr. tako, da je voda rahlo pod tlakom, da ostane tekoča, dokler je ne želijo upariti ^[48]). Poleg tega, čeprav voda ob izstrelitvi ni pod tlakom, nekateri sistemi zahtevajo, da se v vesolju stisne (ali da se elektrolizirani plini shranjujejo v rezervoarjih pod tlakom). To ponovno uvaja nekaj kompleksnosti tlačnih sistemov, čeprav šele po dosegu orbite. Načrtovalci misij morajo upoštevati tudi izparevanje pogonskega sredstva – voda v ogrevanem rezervoarju lahko med daljšo misijo pušča ali izhlapi, če ni ustrezno zatesnjena in ohlajena.

Letalska dediščina in zaupanje: Do leta 2025 je vodni pogon še vedno razmeroma nov igralec v operativnih flotah. Mnogi satelitski operaterji zavzemajo pristop »počakajmo in poglejmo«, saj želijo biti prepričani, da je tehnologija preverjena. Zgodnji uporabniki, kot sta HawkEye 360 (ki je vodne potisnike uporabil že leta 2018) in Sonyjev program Star Sphere (2023), so pomagali graditi zaupanje ^[49], ^[50]. A bolj konservativne stranke bodo morda potrebovale več demonstracij, še posebej za ključne misije, preden opustijo preverjene kemične potisnike. Prišlo je tudi do manjših zapletov: na primer, NASA-jeva misija Pathfinder Technology Demonstrator-1 (PTD-1) leta 2021 je želela dokazati delovanje Tethersovega Hydros potisnika v orbiti ^[51]. Čeprav je bila misija večinoma uspešna, so morebitne anomalije ali slabše delovanje (če so jih zaznali) lekcije, na katerih bodo prihodnje različice izboljšane. Omeniti velja, da so tudi uspešni testi do zdaj trajali omejen čas (minute delovanja). Dolgoročna vzdržljivost teh sistemov (stotine vžigov skozi leta) se še preizkuša, a v vesolju še ni povsem potrjena. To se hitro spreminja, saj so podjetja, kot je Momentus, zdaj svoje vodne potisnike v orbiti sprožila že več desetkrat ^[52]. Vsaka nova misija širi meje in približuje vodni pogon običajni izbiri. Medtem inženirji in regulatorji skrbno ocenjujejo te potisnike, da bi vzpostavili standarde in najboljše prakse (na primer, da je treba zagotoviti, da je mogoče »z vodo poganjan« satelit varno deorbitirati ob koncu življenjske dobe z rezervacijo nekaj vode za zadnji deorbitni vžig – zahteva za zmanjšanje vesoljskih odpadkov).

Skratka, omejitve vodnega pogona – nižji takojšnji potisk, energetske potrebe in tveganje zgodnje faze razvoja – pomenijo, da to še ni čudežna rešitev za vsak scenarij. A hiter napredek v zadnjih nekaj letih nakazuje, da se te izzive premaguje enega za drugim, kot bomo raziskali v nadaljevanju v kontekstu dejanskih misij in akterjev.

Zgodnje inovacije in zgodovinski mejniki

Koncept uporabe vode kot pogonskega sredstva v vesolju obstaja že desetletja. Raziskovalci Nase v obdobju Apolla so prepoznali, da bi lahko vodo pretvorili v vodik/kisik – isto močno kombinacijo, ki je poganjala vesoljske raketoplane – če bi bila v vesolju na voljo energija ^[53]. Toda skozi 20. stoletje je ideja ostala le na papirju; kemične rakete s shranljivimi strupenimi gorivi so bile preprosto bolj razvite in so za takratno tehnologijo zagotavljale večji potisk. Šele z miniaturizacijo satelitov in napredkom na področju električne energije je vodni pogon dobil nov pomen. Tukaj je nekaj ključnih zgodnjih mejnikov, ki so vodili do trenutnega stanja:

2011–2017: Vzpon CubeSatov (majhnih satelitov, sestavljenih iz 10 cm kock) je ustvaril potrebo po enako majhnih, varnih potisnikih. Raziskovalne skupine so začele ponovno preučevati vodo kot idealno gorivo za CubeSate, saj so številni ponudniki izstrelitev prepovedali kemična goriva na sekundarnih tovorih. Leta 2017 je ekipa z univerze Purdue pod vodstvom prof. Aline Alexeenko predstavila mikro-potisnik z imenom FEMTA (Film-Evaporation MEMS Tunable Array), ki uporablja ultra prečiščeno vodo ^[54]. FEMTA uporablja 10-mikronske kapilare, jedkane v siliciju; površinska napetost zadrži vodo na mestu, dokler grelec ne zavre vode in izpusti mikrocurke pare. V vakuumskih testih je potisnik FEMTA proizvedel nadzorovan potisk v območju 6–68 µN s specifičnim impulzom okoli 70 s ^[55], ^[56]. Štirje potisniki FEMTA (s skupno približno eno čajno žličko vode) bi lahko zavrteli 1U CubeSat v manj kot minuti z uporabo le 0,25 W moči ^[57]. To je bil preboj, ki je pokazal, da lahko tudi zelo nizkoenergijski sistemi z vodo omogočijo učinkovito nadzorovanje orientacije. Alexeenko je izpostavila privlačnost vode ne le za orbite okoli Zemlje, temveč tudi za uporabo virov v vesolju – “Menijo, da je voda v izobilju na Marsovi luni Fobos, kar bi jo lahko naredilo za ogromno vesoljsko bencinsko črpalko… [in] zelo čisto pogonsko sredstvo” ^[58].
2018: Prva operativna uporaba vodnega pogona v orbiti je potekala. Ameriški startup Deep Space Industries (DSI) je razvil Comet elektrotermični potisnik, majhno napravo, ki zavre vodo in jo izstreli za manevriranje malih satelitov. Decembra 2018 so Comet potisniki DSI leteli na štirih komercialnih satelitih: trije so bili za radijsko-frekvenčno konstelacijo HawkEye 360, eden pa za demonstracijski radar Capella Space ^[59]. Ti mali sateliti so uspešno uporabili vodni pogon za prilagajanje svojih orbit, kar je pomenilo debi vodnih pogonskih motorjev v vesolju. Približno v istem času je bil z ISS izpuščen japonski 3U CubeSat z imenom AQT-D (Aqua Thruster-Demonstrator), razvit na Univerzi v Tokiu. AQT-D je konec leta 2019 v orbiti testiral vodni resistojetni sistem in prikazal spremembe orientacije ter majhne spremembe orbite; to je bil zgodnji test na Japonskem, ki je kasneje postavil temelje za startup Pale Blue ^[60].
2019: NASA-in interes za vodni pogon je prešel iz teorije v prakso. Tethers Unlimited je v okviru NASA SBIR pogodb in partnerstva “Tipping Point” dostavil letalsko pripravljen HYDROS-C potisnik za CubeSate^[61]^[62]. NASA ga je vključila v misijo Pathfinder Technology Demonstrator 1 (PTD-1), 6U CubeSat. Čeprav je bil izstrelitev preložen na 2021, je bila ta misija namenjena “prvi demonstraciji vesoljskega pogonskega sistema na osnovi elektrolize vode v vesolju” ^[63]. Že sama odobritev vodnega pogonskega tovora je nakazovala NASA-ino zaupanje v varnost in uporabnost za manjše misije. V zasebnem sektorju je DSI leta 2019 prevzel Bradford Space ^[64], s čimer se je DSI popolnoma usmeril v pogon. Bradford je nadaljeval s trženjem potisnika Comet kot netoksične alternative za male satelite, opazili pa so ga tudi veliki integratorji – LeoStella (proizvajalec za konstelacijo opazovanja Zemlje BlackSky) se je odločila za uporabo vodnih potisnikov Comet na svojih prihajajočih satelitih ^[65]. Do konca leta 2019 je bil zagon očiten: vodni pogon se je iz laboratorijskih prototipov preselil na prave vesoljske ladje in privabljal resne naložbe.
2020–2021: Več pomembnih dogodkov je ohranjalo vodne potisnike v središču pozornosti. Startup iz Washingtona Momentus Inc. se je pojavil s pogumnimi načrti za vesoljske vlačilce (orbitalna transportna vozila), ki jih poganjajo vodni plazemski motorji. Momentus, ki ga je soustanovil ruski podjetnik, je pritegnil pozornost s svojimi obljubami o “vodnem plazemskem pogonu”, čeprav so regulativne ovire zamaknile njegove prve izstrelitve v leto 2021. Medtem je japonski startup Pale Blue Inc. leta 2020 izšel iz laboratorijev Univerze v Tokiu, z namenom komercializacije vodnega pogona na japonskem in svetovnem trgu ^[66]. Njihov načrt je vključeval majhne resistojet enote ter naprednejše ionske in Hallove potisnike na vodo. V začetku leta 2021 je NASA končno izstrelila PTD-1 (na SpaceX-ovem Transporter-1 rideshare), ki je nosil potisnik Hydros ^[67]. Med 4-6 mesečno misijo naj bi PTD-1 izvajal spremembe orbite z uporabo vodnega goriva in tako dokazal zmogljivost in zanesljivost, potrebno za prihodnjo uporabo ^[68]. Ta misija je bila vrhunec skoraj desetletja dela podjetja Tethers in NASA, saj je pokazala, da lahko celo satelit v velikosti škatle za čevlje ima “nizkocenovni, visoko zmogljiv pogonski sistem” na vodo ^[69]. Leta 2021 je Evropska vesoljska agencija zaključila tudi študijo o izvedljivosti vodnega pogona, pri čemer ga je prepoznala kot najboljšo izbiro za določene razrede misij (zlasti za 1-tonske satelite v LEO) in spodbudila podjetja, kot je nemški OMNIDEA-RTG, da začnejo razvojne aktivnosti v Evropi ^[70]^[71].

Ta zgodnja zgodovina je postavila temelje z dokazovanjem koncepta in zgodnjo uporabo. V nadaljevanju si bomo ogledali trenutne akterje, ki povečujejo obseg vodnega pogona, ter misije, ki prikazujejo njegove zmogljivosti.

Ključni akterji, ki vodijo razvoj vodnega pogona

Do leta 2025 živahen ekosistem podjetij in vesoljskih agencij potiska pogon na osnovi vode od demonstracije do uporabe. Tukaj je nekaj pomembnih organizacij in njihovih prispevkov:

Tethers Unlimited (ZDA) & NASA: Tethers Unlimited (TUI) je bil pionir s svojimi Hydros potisniki na osnovi elektrolize vode, razvitimi s pomočjo sredstev NASA SBIR ^[72]. V partnerstvu z NASA Ames in Glenn je TUI preizkusil Hydros-C na NASA-jevi misiji PTD-1, s čimer je postal pionir vodnega pogona v CubeSatih ^[73]. TUI je izdelal tudi večje enote Hydros-M za satelite mase 50–200 kg v okviru pogodbe NASA Tipping Point in dobavil potisnike podjetju Millennium Space Systems za testiranje ^[74]. Nadaljnja podpora NASA (prek programov, kot sta Small Spacecraft Technology in prihajajoče misije On-orbit Servicing) kaže na močno zaupanje agencije v vodni pogon za varna, ponovno napolnljiva plovila. Direktor TUI Hoyt si predstavlja, da bodo vodni potisniki v prihodnosti opremljeni s priključki za ponovno polnjenje, ki jih bo mogoče napolniti iz skladišč Orbit Fab ali rudarskih operacij na asteroidih ^[75].
Momentus Inc. (ZDA): Momentus je razvil edinstven mikrovalovni elektrotermični potisnik (MET), ki uporablja vodo za ustvarjanje plazemskih curkov, in ga integriral v Vigoride orbitalno transportno vozilo. Kljub težavam na poti (vključno z ameriškim regulativnim nadzorom in zamudo pri združitvi s SPAC), je Momentus uspešno izvedel več demonstracij Vigoride v letih 2022–2023. Med misijo Vigoride-5 januarja 2023 je Momentus »testiral svoj MET potisnik v orbiti s 35 vžigi«, s čimer je potrdil delovanje potisnika v različnih primerih uporabe ^[76]. V enem od testov je Vigoride-5 dvignil svojo orbito za približno 3 km samo z uporabo vodnega pogona ^[77]. Član upravnega odbora podjetja Chris Hadfield je bil glasen podpornik, saj poudarja, da »v našem Osončju odkrivamo veliko več vode«, ki jo lahko uporabimo kot pogonsko gorivo, in da je Momentusov MET v bistvu »šoba na mikrovalovni pečici«, ki lahko celo spremeni vodo v plazmo za potisk ^[78]. Momentus zdaj ponuja storitve prevoza v vesolju, pri čemer izkorišča nizko ceno vode, da bi lahko konkuriral s ceno. Predlagali so tudi ambiciozne projekte, kot je uporaba vlečnega plovila na vodni pogon za dvig orbite teleskopa Hubble in s tem podaljšanje njegove življenjske dobe ^[79]. Čeprav Momentus še vedno dokazuje svojo komercialno vzdržnost, je nedvomno napredoval v tehnologiji z večkratnim prikazom skalabilnega sistema vodnega pogona v orbiti.
Pale Blue (Japonska): Startup, ki je nastal na Univerzi v Tokiu, Pale Blue je ime, ki ga velja spremljati na področju vodnega pogona v Aziji. Marca 2023 je Pale Blue-jev vodni resistojetni potisnik poganjal Sonyjev satelit EYE (projekt Star Sphere) – prvi vtirni vžig zasebno razvitega japonskega vodnega motorja ^[80]. Potisnik je izvedel dvominutni vžig, ki je po načrtu spremenil tirnico CubeSata, kar je velik mejnik za podjetje ^[81]. Pale Blue ponuja vrsto potisnikov: od serije PBR- (10, 20, 50) resistojetnih modulov za male satelite, do prihajajočega vodnega ionskega potisnika PBI in celo načrtovanega vodnega Hallovega potisnika (PBH) do leta 2028^[82]. Njihov potisnik PBR-20 (1 mN potiska, >70 s Isp) je bil preizkušen na poletih v letih 2019 in 2023, večji PBR-50 (10 mN potiska) pa je bil izstreljen v začetku leta 2024 za svojo prvo misijo ^[83]. Leta 2025 bo Pale Blue predvidoma demonstriral prvi vodni ionski motor velikosti 1U na svetu na dveh rideshare misijah D-Orbit (junij in oktober) ^[84]. Japonska vlada močno podpira Pale Blue – v okviru programa iz leta 2024 je podjetje prejelo do 27 milijonov dolarjev za razvoj vodnega pogona za komercialne in obrambne aplikacije (kar kaže na nacionalni interes za nestrupen pogon satelitov). S partnerstvi (na primer z italijanskim podjetjem D-Orbit) in pomembnim financiranjem želi Pale Blue pretresti trg pogona za male satelite z varnimi, ponovno napolnjivimi vodnimi sistemi.
Bradford Space (ZDA/Evropa): Po prevzemu podjetja Deep Space Industries leta 2019 je Bradford Space podedoval Comet vodni potisnik in ga od takrat dobavlja za več satelitskih misij. Comet je predstavljen kot »prvi operativni vodni pogonski sistem na svetu« in ga uporablja več strank ^[85]. Omeniti velja, da so preizkusni sateliti HawkEye 360 in Capellin demonstracijski satelit Whitney leta 2018 vsak uporabljali Comet potisnike za vzdrževanje orbite ^[86]. Proizvajalec iz Seattla, LeoStella, se je prav tako odločil za Comet motorje za drugo generacijo BlackSky opazovalnih satelitov, ki jih izdeluje, kar kaže na zaupanje v zanesljivost sistema Comet ^[87]. Comet potisnik zagotavlja približno 17 mN potiska in 175 s Isp ^[88], pri čemer uporablja elektrotermični grelec za izpihovanje vodne pare. Bradford ga trži kot »za izstrelitev varen« nadomestek za hidrazinske sisteme na malih in srednje velikih satelitih ^[89]. S pisarnami v ZDA in Evropi Bradford vključuje tudi Comet tehnologijo v prihodnje zasnove misij v globokem vesolju (npr. njihov predlagani Xplorer satelitski bus za misije na asteroide bi lahko uporabljal vodni pogon za manevriranje v globokem vesolju ^[90]). Z rastjo števila konstelacij Bradfordova proizvodnja v praksi preizkušenih vodnih potisnikov podjetje postavlja kot ključnega dobavitelja za podjetja, ki želijo varno pogonsko rešitev v večjem obsegu.
ArianeGroup & evropski partnerji (EU): V Evropi je glavni akter v vesoljski industriji ArianeGroup prevzel vodilno vlogo pri pogonu na osnovi vode, z namenom opremljanja satelitov naslednje generacije v LEO in MEO. Na njihovi lokaciji v Lampoldshausnu v Nemčiji je ekipa ArianeGroup razvila hibridni električno-kemični vodni motor (zelo podoben konceptu Hydros podjetja Tethers) ^[91]. Do konca leta 2023 so razkrili podrobnosti: sistem lahko elektrolizira vodo v približno 90 minutah in nato izvede 30-sekundni dvokomponentni vžig, s skupnim specifičnim impulzom okoli 300 sekund ^[92]. Zasnova je modularna in prilagodljiva – povečajo lahko število elektroliznih celic, velikost rezervoarja ali število potisnih komor, da ustrezajo različnim zahtevam satelitov ^[93]. ArianeGroup trdi, da bi bil sistem lahko »trikrat cenejši« od trenutnega kemičnega pogona za konstelacije ^[94]. S podporo ESA in DLR (nemška vesoljska agencija) ArianeGroup načrtuje demonstracijo v orbiti do jeseni 2026 na satelitu ESMS, ki bo uporabljal vodni motor za prilagajanje orbite in vzdrževanje položaja ^[95]. Ta demonstracija bo potrdila delovanje elektrolizatorja v mikrogravitaciji in zmogljivost dvorežimskega motorja v vesolju. Evropska vlaganja kažejo, da vidijo pogon na vodo kot konkurenčno in trajnostno alternativo za satelitska omrežja, še posebej glede na prihajajoče predpise, ki spodbujajo »zelena« goriva za zmanjšanje tveganj pri izstrelitvah.
Druga pomembna zagonska podjetja: Poleg zgoraj omenjenih velikih imen številna zagonska podjetja po vsem svetu inovirajo na področju vodnega pogona. Aurora Propulsion Technologies (Finska) ponuja majhne ARM-serije vodnih potisnikov za CubeSate, vključno z moduli za popoln 3-osni nadzor satelitov velikosti 1U–12U z uporabo majhnih vodnih mikrocurkov ^[96]. SteamJet Space Systems (VB) je razvil ustrezno poimenovana Steam Thruster One in “TunaCan” potisnik, ki sta kompaktna elektrotermična vodna motorja, ki se prilegata v neizkoriščen prostor CubeSat izstreljevalnikov ^[97]. Ti so bili preizkušeni v vesolju na vsaj eni CubeSat misiji, kar dokazuje, da lahko tudi nano-sateliti izvajajo manevre v orbiti z malo segrete vode ^[98]. V Franciji je ThrustMe (znan po električnih potisnikih na jod) raziskoval vodo kot pogonsko sredstvo v nekaterih konceptih, v Italiji pa zagonska podjetja, ki jih financira ESA, prav tako razmišljajo o vodi za zgornje stopnje malih nosilnih raket ali orbitalne vlačilce. Poleg tega je zanimiv novinec URA Thrusters, ki je predstavil nabor sistemov na vodni pogon – od Hallovega potisnika, ki lahko uporablja vodno paro ali kisik ^[99], do “ICE” elektroliznih potisnikov, ki združujejo MEMS-razsežnost razcepa vode in zgorevanja ^[100], do Hydra hibrida, ki združuje Hallov potisnik s kemičnim motorjem za prilagodljivo delovanje ^[101]. Čeprav so nekateri od teh še vedno v fazi načrtovanja, širina razvoja poudarja naslednje: vodni pogon ni enkratna novost, temveč široko tehnološko gibanje, ki privablja inovatorje po vsem svetu.

Letalski prototip sistema HYDROS-C za vodni pogon CubeSatov podjetja Tethers Unlimited. Ta kompaktna enota vsebuje rezervoarje za vodo, elektrolizer, plinske mehe in raketno šobo ^[102]. Takšni sistemi ostanejo nedejavni do prihoda v orbito, kjer se za razcep vode v vodik/ kisik kot pogonsko sredstvo za potisk uporabi sončna energija.

Misije in mejniki: Vodni pogon v praksi

Dejanske vesoljske misije v zadnjih letih so dokazale izvedljivost pogonov na vodno gorivo in še naprej širijo njihove zmogljivosti. Spodaj je časovnica pomembnih misij in demonstracij, ki prikazujejo vodni pogon:

2018 – Prva uporaba v orbiti: Sateliti HawkEye 360 Pathfinder (3 v formaciji) in radar satelit Capella Space vsak uporabljajo DSI-jeve Comet vodne potisnike za vzdrževanje orbite po izstrelitvi decembra 2018 ^[103]. Ti so postali prvi komercialni sateliti, ki so delovali na vodni pogon, uspešno izvedli manevre in potrdili delovanje potisnika v vesolju.
2019 – Demonstracija z ISS: 3U CubeSat AQT-D (Aquarius) Univerze v Tokiu, izpuščen z Mednarodne vesoljske postaje, v orbiti sproži svoje vodne resistojet potisnike. Sistem doseže nadzor nad orientacijo in manjše spremembe orbite, kar pomeni prvo japonsko demonstracijo vodnega pogona v vesolju. Ta misija je dokazala, da lahko večšobni vodni potisnik deluje v mikrogravitaciji in postavila temelje za kasnejše zasnove podjetja Pale Blue ^[104].
2021 – NASA PTD-1:Pathfinder Technology Demonstrator-1, NASA-jev 6U CubeSat, izvede prvi test pogona na vodno elektrolizo v orbiti. S približno 0,5 litra vode motor Hydros na PTD-1 izvede programirane potisne manevre in dokaže, da lahko razcep vode na H₂/O₂ in njuno zgorevanje poganja satelit, kot je bilo pričakovano ^[105]. Ta večmesečna misija potrdi zmogljivost, varnost in možnost ponovnega zagona sistema ter malim satelitom ponudi novo preverjeno možnost za nadzor orbite.
2022 – Prvenec Vigoride: Momentus izstreli Vigoride-3 (svoje prvo orbitalno servisno vozilo) maja 2022. Čeprav so začetni testi potisnika omejeni (vozilo je imelo nekaj težav v zgodnjih fazah delovanja ^[106]), misija postavi temelje za postopno testiranje vodnega MET. Momentus vzpostavi stik in se nauči upravljati nov pogon v dejanskem vesoljskem okolju ^[107], kar omogoča izboljšave za naslednje polete.
2023 – Več uspehov: To leto je prelomno s številnimi zmagami vodnega pogona:
- Momentus Vigoride-5 (jan 2023): Uspešno izvede 35 vžigov potisnikov svojega vodnega MET v orbiti, s čimer dvigne svojo orbito in prilagodi orientacijo z uporabo izključno vodnih plazemskih curkov ^[108]. To je pomemben dokaz, da lahko večje plovilo (~250 kg) uporablja vodni pogon za pomembne spremembe orbite.
- Momentus Vigoride-6 (apr 2023): Nadaljuje s testiranjem in celo izvede vstavitev v orbito za stranko (čeprav je zaradi programske napake pri časovnem usklajevanju prišlo do manjše napake v inklinaciji orbite) ^[109]. Vigoride-6 ostaja operativen, kar dodatno potrjuje zanesljivost pogonskega sistema.
- Pale Blue EYE Demo (mar 2023):Sonyjev EYE CubeSat izvede manever dviga orbite z uporabo Pale Blue vodnega potisnika za ~120 sekund ^[110]. Uspeh te demonstracije – potiskanje satelita bližje ciljni orbiti za fotografiranje Zemlje – potrjuje orbitalno funkcionalnost potisnika in je široko predstavljen kot japonski vstop v vodni pogon ^[111].
- EQUULEUS pri Luni (konec 2022–2023): Čeprav v splošnih medijih ni bilo veliko objavljeno, velja omeniti EQUULEUS, CubeSat JAXA-Univ. v Tokiu, izstreljen proti Luni na Artemis I (nov 2022), ki je imel vodni resistojetni sistem za prilagoditve trajektorije ^[112]. Z vodnimi potisniki je uspešno izvedel popravke poti na poti do Zemlja-Luna Lagrangeve točke, s čimer je prikazal vodni pogon v cislunarnem prostoru – prvič za operacije zunaj LEO.
2024 – Povečevanje obsega: Vodni pogon se začne pojavljati na več operativnih satelitih:
- Serijske izstrelitve: Naslednje serije satelitov Hawkeye 360 in novejši SAR sateliti Capella še naprej uporabljajo vodne Comet potisnike v redni uporabi, pod podporo podjetja Bradford. Poleg tega BlackSky-jevi Gen-2 sateliti, izstreljeni leta 2024, vključujejo Comet vodni pogon za vzdrževanje orbite konstelacije za opazovanje Zemlje ^[113].
- Novi izstrelitvi potisnikov: Večji PBR-50 potisniki podjetja Pale Blue bodo prvič izstreljeni v začetku leta 2024 na skupni izstrelitvi malih satelitov (natančna misija ni razkrita), z namenom zagotoviti približno 10 mN potiska za mikrosatelit v orbiti ^[114]. To pomeni začetek kvalifikacije vodnega pogona za večje razrede malih satelitov.
- Infrastruktura: Podjetja, kot je Orbit Fab, napovedujejo načrte, da bo voda ena od možnosti goriva za njihove predlagane orbitalne skladiščne postaje za gorivo, NASA-in projekt TALOS pa razmišlja o vodnih “pomožnih rezervoarjih” za vesoljske vlačilce za globoki vesolje – kar odraža širše sprejemanje, da bo voda v prihodnjih letih del vesoljske logistične verige.
2025 – Prihajajoče in tekoče: Načrtovane so vznemirljive misije:
- Pale Blue D-Orbit poleti: Prvi vodno-ionski potisnik (PBI) bo preizkušen v letu na D-Orbitovem Ion Satellite Carrier sredi in konec leta 2025 ^[115]. Ti testi bodo merili visoko učinkovitost potiska in tlakovali pot komercialnim ionskim enotam, ki uporabljajo vodo namesto ksenona ali kriptona.
- JAXA RAISE-4 eksperiment: Japonska vesoljska agencija načrtuje izstrelitev demonstracijskega satelita RAISE-4 v letu 2025, ki naj bi nosil najnovejši pogonski sistem Pale Blue (morda izboljšani PBI) za testiranje v nizki Zemeljski orbiti ^[116].
- Komercializacija Momentus: Momentus pričakuje prehod iz faze testiranja v operativne misije, kjer bo ponujal prevoz tovorov strank. Do leta 2025 nameravajo začeti zagotavljati storitve dviga orbite – na primer, prevoz malih satelitov iz skupne izstrelitvene orbite v želeno višjo orbito – izključno z uporabo vodnega pogona. To bo preizkus ekonomske upravičenosti vodnih potisnikov v pravih misijah.
- Demonstracija vodnega pogona ESA: V Evropi se začnejo končne priprave na misijo Spectrum Monitoring Satellite (ESMS), ki je predvidena za leto 2026, in bo do leta 2025 imela vgrajen vodni pogonski sistem ter bo potekalo testiranje na tleh ^[117]. Če bo vse po načrtih, bo ta misija postala prvi komercialni satelit v polnem obsegu, ki bo za glavni pogon uporabljal vodo (ne le kot demonstracijsko enoto).

Ta časovnica kaže jasno pospeševanje: od posameznih eksperimentov pred nekaj leti do več vesoljskih plovil, ki danes uporabljajo vodo, in še veliko več jih je v pripravi. Vsak uspeh gradi zaupanje in izkušnje, kar privablja nove uporabnike. Do sredine 2020-ih vodni pogon prehaja iz eksperimentalne faze v orodjarno načrtovalcev misij.

Umetnikova upodobitev majhnega satelita (Sonyjev EYE cubesat), ki je leta 2023 uporabil Pale Blue uporovni potisnik na vodni osnovi za prilagoditev svoje orbite ^[118]^[119]. Demonstracija je pomenila prvo uporabo vodnega pogona v vesolju s strani japonskega zagonskega podjetja, sprememba orbite satelita pa je potrdila učinkovitost potisnika.

Najnovejši preboji (2024–2025) in kaj sledi

Zadnji dve leti sta prinesli hitre napredke in trend se bo nadaljeval. Nedavne novice in razvoj v letih 2024–2025 poudarjajo, kako vodni pogon dosega nove višave:

Financiranje in podpora industrije: Zaradi prepoznane strateške vrednosti nestrupenega pogona vladne agencije vlagajo v vodne potisnike. Leta 2024 je japonski METI dodelil podjetju Pale Blue večmilijardno jenovo subvencijo (do približno 27 milijonov USD) za povečanje obsega tehnologije vodnega pogona za komercialne in obrambne satelite ^[120]. Ta finančna injekcija bo podjetju Pale Blue pomagala povečati raven potiska in razviti večje sisteme, primerne za večje satelite. Evropski programi Horizon prav tako financirajo rešitve z zelenimi pogonskimi sredstvi, pri čemer so vodni pogoni v ospredju, kar dokazuje podpora ESA za ArianeGroup-ovo demonstracijo leta 2026 ^[121]. Tudi ameriško ministrstvo za obrambo je pokazalo zanimanje za varne pogone CubeSat za projekte Space Force, kjer je varnost vode pomembna prednost.
Motorji z večjo močjo: Na področju tehnologije razvijalci potiskajo vodne motorje k večji moči in zmogljivosti. Ena od prelomnih novosti na obzorju so vodni Hall-efekt potisniki – ki združujejo učinkovitost Hallovih plazemskih motorjev z vodnim pogonskim sredstvom. Načrtovani PBH potisnik podjetja Pale Blue za leto 2028 je en primer ^[122], konceptualni sistem Hydra podjetja URA Thrusters (dvojni Hall + kemični) pa je še en primer ^[123]. Če bodo ti uresničeni, bi lahko opravljali naloge, ki jih trenutno zmorejo le kemični pogoni ali veliki električni potisniki, kot so hitri prenosi med orbitami ali medplanetarne poti, vendar z dodatno prednostjo enostavnega ponovnega polnjenja z vodo. Poleg tega podjetje Momentus in drugi preučujejo, kako bi še povečali ISP svojih MET-jev, morda z uporabo višjih mikrovalovnih frekvenc ali novih resonančnih votlin za učinkovitejše pregrevanje vode. Specifični impulz okoli ~1000 s bi lahko bil dosegljiv v naslednjih različicah, kar bi vodne potisnike postavilo ob bok tradicionalnim ionskim motorjem glede učinkovitosti.
Integracija v konstelacije: Leto 2024 je zaznamovalo prve pomembne ponavljajoče se namestitve vodnega pogona v satelitskih konstelacijah. Na primer, vsak nov BlackSky slikovni satelit zdaj uporablja Bradford Comet vodni potisnik za vzdrževanje orbite, kar pomeni, da bodo desetine enakih vesoljskih plovil skozi svojo življenjsko dobo delovale na vodni pogon ^[124]. Tudi druga generacija grozda Hawkeye 360 (izstreljena 2022–2023) uporablja vodni pogon za letenje v formaciji. Ta množična uporaba je preboj sama po sebi – vodni pogon ni več le enkratni eksperiment, temveč standardna komponenta v nekaterih flotah. V prihodnje številne predlagane megakonstelacije za IoT in opazovanje Zemlje razmišljajo o zelenih pogonskih možnostih, pri čemer je voda visoko na seznamu zaradi nizkih stroškov sistema. Ko se bo proizvodnja teh potisnikov povečala, bodo enotni stroški padli, kar bo še dodatno spodbudilo uporabo.
Nove uporabe: Inženirji odkrivajo ustvarjalne nove načine izkoriščanja vsestranskosti vode. Ena izmed idej v razvoju je nadzor orientacije na osnovi elektrolize – uporaba majhnih količin elektroliziranega plina za natančne potisne šobe, nato pa ponovno združevanje vode v zaprti zanki. Druga možnost je uporaba vode kot delovne mase v sončno-termalnem pogonu: koncentracija sončne svetlobe za neposredno segrevanje vode v paro za potisk (v bistvu parni kotel v vesolju, ki ga poganja Sonce, kar bi lahko bilo zelo učinkovito v notranjem Osončju). Raziskovalci prav tako preizkušajo pogonsko gorivo na osnovi vode za pristajalnike in skakalce za Luno/Mars. NASA-jeva lunarna misija Flashlight (čeprav je imela na koncu težave) je v zgodnji fazi zasnove razmišljala o vodi kot kandidatu za pogonsko gorivo. Če pogledamo še dlje, bi lahko bila voda pogonsko gorivo za jedrske termalne rakete ali pogone na usmerjeno energijo, kjer zunanji vir energije (kot je laserski žarek z Zemlje) segreva vodo na vesoljskem plovilu za ustvarjanje potiska ^[125]. Neškodljiva narava vode omogoča te nekonvencionalne koncepte, ki bi bili nepredstavljivi s strupenimi ali redkimi pogonskimi gorivi.
Strokovna priporočila: Revolucija pogona na vodo ni ostala neopažena med vodilnimi v vesoljski industriji. Navdušeno zagovarjanje vodnih potisnikov podjetja Momentus s strani Chrisa Hadfielda ^[126] in izjave, kot je »Prepričan sem, da je voda gorivo prihodnosti« evropskih vodij projektov ^[127], odražajo vse večje soglasje, da je ta tehnologija tu, da ostane. V intervjujih in na konferencah (kot sta Small Satellite Conference in Space Propulsion Workshop leta 2024) so strokovnjaki pohvalili ravnovesje med varnostjo in zmogljivostjo, ki ga ponujajo vodni sistemi. »Dobra pogonska zmogljivost mora biti uravnotežena z varnostjo – PTD-1 bo izpolnil to potrebo,« je dejal David Mayer iz Nase ob predstavitvi prvega demonstracijskega vodnega potisnika ^[128]. Ta izjava lepo povzame, zakaj je voda pridobila na veljavi: dosega ravnovesje med visoko zmogljivostjo kemičnega pogona in varnostjo električnega pogona. Načrtovalci vesoljskih misij vse pogosteje izražajo to mnenje v strokovnih publikacijah in na panelih.

Ko smo v letu 2025, je smer razvoja vodno gnanih pogonov za satelite jasno usmerjena navzgor. Naslednji veliki korak bo verjetno vodilna misija, ki se resnično zanaša na vodni pogon za dosego ključnega cilja – morda lunin CubeSat, ki uporabi vodo za vstop v orbito okoli Lune, ali servisno plovilo, ki se samodejno napolni iz skladišča in vleče satelit. Vsako leto se meje premikajo naprej. Če se trenutni trendi nadaljujejo, bi lahko do poznih 2020-ih videli, da vodni pogoni poganjajo vesoljska plovila do asteroidov in nazaj, dvigujejo in spuščajo stotine satelitov v orbiti, in to z minimalnim vplivom na okolje ter popolno možnostjo ponovnega polnjenja v vesolju. Kar se je začelo kot nekonvencionalna ideja, je preraslo v praktično tehnologijo, ki bi lahko naredila vesoljske operacije bolj dostopne, trajnostne in prilagodljive kot kdaj koli prej.

Zaključek: Nova doba, ki jo poganja H₂O

Vodno gnani pogon za satelite ni več koncept prihodnosti – je tukaj in se dokazuje iz misije v misijo. V nekaj letih smo prešli od prvih izpuhov vodne pare, ki so potisnili majhen CubeSat, do popolnoma manevrirajočih vesoljskih plovil, ki uporabljajo vodo za spreminjanje orbit in izvajanje zapletenih operacij. Privlačnost vode kot končnega pogonskega sredstva za vesolje je v njeni elegantni preprostosti. Kot je zapisano v tehnološkem poročilu ESA, je voda »premalo izkoriščen vir – varna za rokovanje in okolju prijazna«, hkrati pa vsebuje »dva zelo gorljiva pogonska sredstva, ko je elektrolizirana«, kar pomeni, da v benigni obliki skriva moč raketnega goriva ^[129]. Ta dvojna narava – enostavno shranjevanje kot tekočina, energična uporaba kot plin – daje vodi edinstveno prednost.

Pričujemo zlitju dejavnikov, ki omogočajo praktičnost vodnih pogonov: boljše majhne električne črpalke in grelce, učinkovitejše sončne celice za njihovo napajanje, 3D-tiskane potisnike, optimizirane za paro ali plazmo, ter razcvet povpraševanja po majhnih satelitih, ki potrebujejo poceni pogon. Izzivi (omejena potisna sila, potrebe po energiji) se rešujejo z inovativnim inženiringom, uspehi pa se kopičijo. Pomembno je, da je vodni pogon usklajen s širšim prizadevanjem za trajnost v vesolju – zmanjšuje strupene kemikalije, omogoča daljšo življenjsko dobo satelitov s ponovnim polnjenjem in celo uporabo zunajzemeljskih virov. Vodo spreminja iz potrošnega materiala za podporo življenju v vsestranski omogočevalec mobilnosti za vesoljsko infrastrukturo.

V javni domišljiji je bil »raketno gorivo« vedno nekaj eksotičnega ali nevarnega. Ideja, da bi voda – ista snov, ki jo pijemo in uporabljamo za kopanje – lahko pošiljala satelite okoli Zemlje ali še dlje, je privlačna. Znižuje prag za vstop v vesoljske podvige (ne potrebujete posebnih goriv, le iznajdljivost) in vzbuja vizije vesoljskih plovil, ki se ustavljajo pri luninih ledenih rudnikih ali asteroidnih rezervoarjih, da napolnijo svoje rezervoarje. Tehnologija se še razvija, a njen razvoj nakazuje, da bi lahko vodni pogoni postali tako vsakdanji v satelitih, kot so elektromotorji v avtomobilih. Kot je pripomnil eden od vodilnih v industriji, bi se lahko stari vic »samo dodaj vodo« resnično nanašal na prihodnost vesoljskih potovanj.

Za zaključek, pogon satelitov na vodo predstavlja premik paradigme proti varnejšim, čistejšim in na koncu tudi obsežnejšim vesoljskim operacijam. Od majhnih CubeSatov do potencialnih medplanetarnih sond, skromna molekula H₂O dokazuje, da ima prave lastnosti, da nas popelje dlje. Ko se zagon (in brez namigovanja na besedno igro) še naprej krepi, ne bodite presenečeni, ko bo naslednji naslov glasil: “Vesoljska plovila na pogon vode dosežejo Luno – in gredo naprej.” Začela se je doba vodne rakete, ki prinaša ocean možnosti za naslednjo generacijo raziskovanja vesolja ^[130], ^[131].

Refuelling a Satellite in Orbit using a Crewed Tanker | SpaceFlight Simulator

Oglej si posnetek na YouTube.

References