Ta del av allt innehåll på Aktuell Hållbarhet
Starta din prenumeration

Prenumerera

Onsdag21.10.2020

Kontakt

Annonsera

Meny

Starta din prenumeration

Prenumerera

Sök

Mobilitet

Grönt svenskt raketbränsle klart att lyfta

Publicerad: 27 Augusti 2010, 04:38

För rymden spelar det inte så stor roll, men för oss människor är ett miljövänligt raketbränsle ett stort framsteg.


Ämnen i artikeln:

CleantechTeknikMiljöteknikGreentechForskningIngenjör

HPGP är det nya inneordet för satellitfolket som vill vara med sin tid. Förkortningen betyder High Performance Green Propellant. Med ”green” i det här fallet menas ett ämne som kan lagras, transporteras och komma ut i atmosfären utan att vara skadligt för människan. Och det är svenskt. Företaget som tagit fram ämnet heter Ecaps, Ecological Advanced Propulsoin Systems, som är en del av Svenska Rymdbolaget.

Satelliter vinglar

En satellit som går i bana runt Jorden ligger inte alls still i den avsedda banan utan vinglar hit och dit beroende på en mängd faktorer, som gravitationens växlingar, månens gravitation, ljus- och partikeltrycket från solen och friktion från re

sterna av atmosfären. Dess höjd och attityd (riktning mot norr) måste ständigt korrigeras.

Satelliters attitydreglering och banstabilisering sköter man med hjälp av små raketmotorer, sk attitydmotorer, som sitter i satellitens hörn. De skjuts av i små, väl avgränsade puffar på mellan 50 millisekunder och en sekund, för att knuffa eller vrida satelliten dit den ska mjukt och försiktigt. Kraften i varje raketpuff är inte så stor, mellan 1-5 newton är vanligt.

Ecaps satellitmotor med 1 newtons dragkraft.

Motorerna eldas normalt med ett bränsle kallat hydrazin och typiska mängder är cirka 2 gram bränsle per dag. Hydrazin är bra, för det håller hög specifik impuls och faller sönder spontant när det kommer i kontakt med katalysatorn iridium. Beklagligtvis är det också ett nervgift och är omgärdat av stränga transportrestriktioner. För att inte tala om vad som skulle hända om satelliten inte skulle komma upp i avsedd bana, utan störta mot jorden igen. Då måste den sprängas, skjutas ned eller fås att brinna upp på hög höjd. Om satelliten skulle störta inom bebodda områden kan kvarvarande hydrazin, och 15 kilo är en vanlig mängd, utgöra en fara för människorna.

Det var (sannolikt) av den anledningen USA i februari 2008 ansåg sig vara tvungna att skjuta ned en spionsatellit som inte fungerat sedan 2006. Amerikanska marinen ansåg att det var bättre att förstöra den 2,2 ton tunga satelliten än att den skulle falla ned i bebodda trakter och riskera släppa ut hydrazin. Sannolikt ville man inte heller att någon skulle komma över spionutrustningen efteråt. Nu träffade man den på 246 kilometers höjd i en frontalkrock i 30.000 kilometer i timmen. Ryssland och Kina protesterade givetvis, men Kina har själv skjutit ned satelliter på det sättet. Vem som hycklar mest är svårt att säga.

Hydrazin är väldigt vanligt både inom rymdfart och flyg. Det används i Rymdfärjan, i reservgeneratorn i amerikanska stridsflygplan och som startämne vid plastframställning.

Det ska vara en svensk om det ska bli något gjort

Svenska rymdbolagets dotterbolag Ecaps har tagit fram och patenterat ett nytt sätt att använda ett välkänt, ganska harmlöst bränsle kallat ammoniumdinitramid (ADN) som kan ersätta hydrazin, som dessutom har något bättre specifik impuls och är billigare. I och med att bränslet i sig själv och dess restprodukter inte är farliga för människor, bortsett från om det exploderar, är det inte belagt med lika hårda transportrestriktioner som hydrazin. På så sätt kan satellitbyggare och -ägare komma undan billigare och framställa och skjuta upp en satellit enklare och snabbare.

LMP-103S

Satellitbränsle måste vara enkomponents och flytande, klara långtidslagring och det ska självantända vid kontakt med en katalysator. Ecaps utvecklade i samarbete med Svenska Rymdbolaget och Försvarets Forskningsanstalt år 1997 ett bränsle baserat på ammoniumdinitramid (ADN), som fick namnet LMP-103S. Avsikten var att ta fram ett ämne som hade högre prestanda än hydrazin och var säkert att lagra. Egentligen skapades Ecaps för att fortsätta marknadsföra HPGP-teknik för rymdapplikationer. Sedan dess har det blivit fler innovationer, som en katalysator som tål höga temperaturer och nya typer av brännkammare.

ADN är ett vitt pulver (små kristaller) som egentligen bara är en oxidator, men genom att blanda det i en vätska så att de slutliga proportionerna blir ungefär 3-6 % ammoniak, 15-20 % metanol, 60-65% ADN och resten vatten fick man ett flytande ämne som kan förvaras i trycktank och sprutas ut allt efter behag. De absoluta proportionerna föredrar Ecaps att hålla för sig själv för de är resultatet av många års experimenterande.

Om ADN är oxidationsmedel så är ammoniaken och metanolen själva bränslet, alltså de komponenter som brinner. Vattnet fungerar stabiliserande på förbränningstemperaturen. Ammoniaken är också stabiliserande, och balanserar dessutom pH och är det ämne som får ADN-kristallerna att lösa sig i vätskan. När ADN brinner, kommer det upp i cirka 2000 kelvin.

LMP-103S har mer än 6 % högre teoretisk specifik impuls och 24 % högre densitet än hydrazin vilket ger en densitetsimpuls som är 30 % högre än med hydrazin. Denna högre impuls är absolut avgörande för om man ska få plats med ett visst drivsystem i ett rymdskepp, eller om man vill förlänga systemets drifttid med en given volym på bränsletanken. En annan fördel är att HPGP-tekniken kan användas med standardprodukter (COTS) avsedda för hydrazindrift.

Ecaps övriga erbjudanden

Men Ecaps säljer inte bara bränsle utan även motorer som kan utnyttja bränslet, och hela färdiga drivsystem att bygga in i satelliter. Du kan få motorer med krafterna 1, 5 och 22 newton. De första satelliter som provat det nya bränslet är de två svenska Prisma-satelliterna. De sköts upp med en rysk robot den 15 juni i år och uppskjutningen gick bra.

Ett typiskt drivsystem till en satellit under byggnad hops Ecaps. Den runda bollen i mitten är trycktanken för bränslet de lite större cylindrarna är olika typer av ventiler. Motorerna är inte monterade på denna bild.

Den viktigaste resursen är Ecaps personal, duktiga konstruktörer och forskare med lång erfarenhet av framdrivningskomponenter och -system. Utvecklings- och tillverkningslokalerna finns i Solna. Bränslet tillverkas i Karlskoga och motorprovningen sker i Försvarsmaktens lokaler i Tumba.

Ecaps kan tillgodoräkna sig Svenska Rymdbolagets 30-åriga erfarenhet av rymdteknologi, såsom utveckling och tillverkning av sex satelliter som fortfarande går i bana runt jorden, den första europeiska månfarkosten SMART-1 och fler än 500 sondraketer, med mera.

Om Prisma

De svenska Prisma-satelliterna sändes upp från den ryska raketbasen Yasny den 15 juni 2010. Bärraketen av typen Dnepr lyfte 16.42 svensk tid. Sexton minuter därefter frigjordes de båda Prismasatelliterna, som fästs vid varandra inför uppsändningen och förblev sammansatta de första veckorna i bana.

Rymdbolagets kontrollcentral för Prisma hade sin första kontakt med satelliterna klockan 18.14 svensk tid. Driftspersonalen kunde då verifiera att solpanelerna fällts ut enligt plan och att satelliterna och dess system befann sig i normalläge. Under den närmaste tiden skall samtliga subsystem kontrolleras, varefter de båda satelliterna – ”modern” Mango och ”dottern” Tango – kommer att separeras från varandra den 3 augusti.

Prisma-projektet skall demonstrera banbrytande ny teknik för autonom formationsflygning och rendezvous, dvs interaktion och nära möten mellan rymdfarkoster. Syftet är att verifiera ett antal innovativa system för styrning, navigering och sensorteknik och de två nya framdrivningssystemen med ADN och hydrazin. Hydrazin finns fortfarande med ombord eftersom det är beprövat. Teknikexperimenten startar efter separationen i augusti och kommer att pågå under tio månader.

ADN-delen av Prismas drivsystem. Den gula bollen är trycktanken (jämför med bilden ovan) och motorerna syns längst ute till höger, respektive vänster.

Rymdbolaget är huvudleverantör av Prisma och har utvecklat merparten av tekniken och navigeringsexperimenten ombord liksom den programvara som används för kommunikation med satelliterna. Det tyska rymdcentret DLR, den franska rymdstyrelsen CNES och Danmarks Tekniska Universitet har bidragit med experiment, mjukvara och sensorer.

Det miljövänliga framdrivningssystemet och de miniatyriserade motorerna, som utvecklats av de Rymdbolagsägda svenska bolagen Ecaps och NanoSpace, gör sin första flygning på Prisma, en viktig milstolpe och förutsättning för vidare försäljning av systemen. Bland de svenska underleverantörerna finns Omnisys, RUAG Space, Institutet för rymdfysik och Försvarets Forskningsinstitut.

Prisma initierades av Rymdstyrelsen som också finansierar projektet, med stöd från rymdstyrelserna i Frankrike och Tyskland.

“Prisma är ett utmärkt tillfälle för svensk rymdindustri att flygkvalificera ny teknik”, säger Rymdstyrelsens generaldirektör Olle Norberg. “Projektet befäster Sveriges position som en framstående tekniknation och kommer förhoppningsvis att öppna dörrar till nya internationella samarbeten.”

“Rymdbolaget är välkänt och har mycket gott rykte i den internationella rymdbranschen”, säger Lars Persson, VD för Rymdbolaget. “Vi ser fram emot att återigen få visa vår förmåga inom satellitutveckling och satellitkommunikation. Vi tror på stor internationell framgång för de innovationer som vi nu får verifierade. Samarbetet med övriga europeiska partners i projektet är också mycket givande.”

Teknik för autonom formationsflygning och rendezvous är nödvändig i forskningsprojekt där två eller fler rymdfarkoster behöver interagera för att forma kraftfulla antenner eller stora teleskop. Tekniken är också viktig i projekt som innebär dockning eller inspektion av satelliter i bana.

Miljardaffärer väntar

På Prisma-satelliterna vill Ecaps verifiera att detta nya framdrivningssystem fungerar bra i rymden. Därefter finns alla möjligheter att ta stora marknadsandelar på världsmarknaden.

”Här talar vi om en marknad värd en miljard på 5-10 års sikt”, säger Mathias Persson, VD för Ecaps. ”Konkurrensen är hård men Ecaps är definitivt det företag som kommit längst i utvecklingen av miljövänliga raketbränslen. Ända sedan vi först startade vårt arbete, 1997, har vi varit synliga och presenterat våra innovationer i många sammanhang. Det enda vi hittills saknat är verifieringen på plats i rymden. Nu borgar allt för att höstens omfattande tester blir lika lyckosamma som denna första körning.”

Hydrazin

Hydrazin uppfanns redan 1889 och är ett oorganiskt ämne med formeln N2H4. Det är en färglös vätska vid rumstemperatur, som smälter vid en grad och kokar vid 114 grader och har en densitet nära ett. Ganska likt vatten med andra ord. När det används i raketmotorer får det passera över en porös yta belagd med katalystorn iridium, varvid det faller sönder till ammoniak, kväve och väte och en väldig massa värmeenergi avges. En raketmotor som drivs med hydrazin kan komma upp i 800 grader på ett par millisekunder.

Beklagligtvis kan människor som utsätts för höga doser av hydrazin drabbas av irritation i slemhinnor, yrsel, lungödem, epileptiska anfall och koma.

Ammoniumdinitramid (ADN)

När det fasta ämnet NH4N(NO2)2 utsätts för höga temperaturer faller det sönder och bildar de ofarliga gaserna kväve, syre och vattenånga. Det avger inget klorväte (saltsyra), som det ämne det närmast ersätter, nämligen ammoniumperklorat, som är väldigt populärt som raketbränsle i blandning med plast, sk plastkrut.

Därmed inte sagt att ADN är ofarligt. Det exploderar om det utsätts för värme eller stöt och är till och med känsligare än ammoniumperklorat.

ADN uppfanns ursprungligen i Sovjetunionen men hemlighölls och upptäcktes igen i USA på 1980-talet. Ämnet är ett pulver av kristaller. Vad Ecaps har gjort är att lösa det i olika lösningsmedel och få det flytande. Det behövs om man ska kunna ha det i trycktankar och spruta det mot en katalysator och framför allt kunna bränna i korta pulser om 50 millisekunder.

Läs mer

Ecaps presentyerar sig på: www.ecaps.se
Datablad på LMP 103S: www.ecaps.se/filearchive/1/14685/LMP-103S%20Monopropellant.pdf
Prismasatelliterna: www.prismasatellites.se

Jörgen Städje

Dela artikeln:


Håll dig uppdaterad med vårt nyhetsbrev

Genom att skicka in mina uppgifter godkänner jag Bonnier Business Media AB:s (BBM) allmänna villkor. Jag har även tagit del av BBM:s personuppgiftspolicy.