Rakiety mogą być toksyczne. Co innego wysłać w kosmos? Polacy mają pomysły

Marcin Rotkiewicz: Czy satelity, których coraz więcej umieszczamy na orbitach okołoziemskich, mogą być toksyczne?
Adam Okniński: W pewnym sensie tak. Poważny problem stanowi materiał pędny, ale nie ten stosowany w dużych rakietach, gdyż najczęściej jest nim ciekły tlen i np. nafta lub metan. Chodzi o satelity, które posiadają własne napędy, uruchamiane np. w celu utrzymania urządzenia na danej orbicie lub jej zmiany. I właśnie tu pojawia się problem. Tlen musiałby być utrzymywany w bardzo niskiej temperaturze, by pozostać ciekły – gdyby stosować go w satelitach, ich działanie skróciłoby się do maksymalnie kilku miesięcy. Dlatego kilkadziesiąt lat temu zaczęto stosować silnie trującą hydrazynę i jej pochodne. Główną ich zaletą jest to, że bez problemu wytrzymują całe lata w zbiorniku na orbicie. Natomiast poważną wadę stanowi toksyczność. Podczas tankowania hydrazyny konieczne jest zapewnienie odpowiednich warunków BHP, co wiąże się z dużymi kosztami. Ze względu na zagrożenie dla ludzi i środowiska Unia Europejska rekomenduje wycofywanie tego typu paliwa z napędów kosmicznych.

Czym je zastąpić?
Znaleźliśmy coś mało toksycznego, relatywnie taniego i zapewniającego silnikom odpowiednie osiągi. To nadtlenek wodoru pełniący rolę utleniacza w nowym paliwie. Odpowiedni skład chemiczny sprawia też, że po wstrzyknięciu do komory spalania ulega ono samozapłonowi, więc nie trzeba stosować żadnych mechanizmów inicjujących – świec, laserów czy elementów pirotechnicznych. Dzięki temu daje się włączać i wyłączać silnik tysiące razy przy zachowaniu bardzo wysokiej niezawodności, co jest kluczowe dla napędów satelitarnych.

Nadtlenek wodoru jest substancją dobrze znaną przemysłowi kosmicznemu.
Stosowano go w napędach rakietowych już podczas drugiej wojny światowej. A na początku lat 60. zaczęto wykorzystywać w satelitach, jednak szybko zastąpiła go hydrazyna.

Co w takim razie się zmieniło?
Nadtlenek wodoru stosowany jest w stężeniu do 90 proc. Jeśli podniesie się je do 98 proc. i jednocześnie zadba o to, by pozostałe 2 proc. wody było bardzo czyste, to wówczas substancja ta niemal nie będzie rozkładać się w zbiorniku satelity.

Pański zespół jako pierwszy wpadł na ten pomysł?
Tak, opracowaliśmy nową metodę zagęszczania roztworu nadtlenku wodoru do bardzo wysokich stężeń – nawet 99,99 proc. – i oczyszczania go.

Zagraniczne agencje kosmiczne są zainteresowane waszym paliwem?
Tak. Cała światowa czołówka, czyli amerykańska NASA, japońska JAXA, jak również niemieckie i francuskie agencje kosmiczne, a przede wszystkim wiodące podmioty komercyjne. Wszyscy dostrzegają potencjał wykorzystania stężonego nadtlenku wodoru w satelitach. Oczywiście najbliżej współpracujemy z Europejską Agencją Kosmiczną ESA, z którą realizujemy już dziesięć projektów dotyczących tej technologii.

Czy przetestowano ją już w pojazdach kosmicznych?
W naszym instytucie zbudowaliśmy suborbitalną rakietę BURSZTYN, za pomocą której testujemy różne technologie dotyczące konstrukcji systemów napędowych, elektroniki i całych rakiet kosmicznych. Nie jest ona duża, bo liczy ok. 5 m wysokości i ma docelowo osiągać pułap 100 km z maksymalnym ładunkiem 10 kg. W 2017 r. odbył się jej pierwszy lot testowy, a jej główny silnik napędzał właśnie stężony nadtlenek wodoru.

BURSZTYN to chyba „dziecko” promotora pańskiej pracy doktorskiej, czyli zmarłego niedawno prof. Piotra Wolańskiego z Politechniki Warszawskiej i Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa.
W moim doktoracie zajmowałem się analizami i obliczaniem, jak zwiększyć osiągi małych rakiet suborbitalnych. Między innymi dlatego znalazłem się w zespole budującym BURSZTYN, który powołał prof. Wolański. Był on niewątpliwie prekursorem rozwoju technologii rakietowych w Polsce i swoją „kosmiczną” grupę zaczął kompletować na Politechnice Warszawskiej w 2005 r., czyli w momencie, gdy po chudych czasach pojawiła się dla tej branży szansa na rozwój. Kilka lat później w Instytucie powstało Centrum Technologii Kosmicznych, gdzie projekt BURSZTYN się rozpoczął. Prof. Wolański przyczynił się do wstąpienia Polski do ESA i powstania Polskiej Agencji Kosmicznej.

Technologie kosmiczne wymagają pokaźnych nakładów finansowych, wiedzy i doświadczenia. Czy Polska rzeczywiście ma tu szanse odgrywać jakąś większą rolę?
Ten sektor przemysłu rozwija się u nas coraz lepiej. Dziś pracuje w nim tysiąc osób, a według niektórych źródeł już nawet kilkanaście tysięcy. Oczywiście nie wszyscy zajmują się wyłącznie technologiami kosmicznymi, ale i tak są to całkiem imponujące liczby. Dodam, że w budowę rakiety BURSZTYN zaangażowanych było – jako podwykonawcy lub dostawcy – aż pięćset krajowych firm.

Nie tylko wy konstruujecie rakiety. W tym roku kolejne testy przeszedł Perun, dzieło prywatnej polskiej firmy SpaceForest. Ma wynosić ładunki o masie do 50 kg na wysokość 150 km.
Jest szansa, że będziemy budować jeszcze większe pojazdy. Jako instytut jesteśmy zaangażowani w prace badawczo-rozwojowe firmy ArianeGroup, czyli europejskiego lidera przemysłu rakietowego. Dotyczą one ekologicznych napędów oraz kontroli ciągu silników. Chodzi o to, że rakiety nowych generacji będą używane wielokrotnie, co jest już intensywnie rozwijane w Stanach Zjednoczonych, m.in. przez firmę SpaceX należącą do Elona Muska.

Mamy rozwiązać problem polegający na tym, że startująca rakieta, np. o masie 100 ton, wraca na Ziemię dziesięć razy lżejsza. Dlatego amerykańskiego Falcon 9 napędza w trakcie startu 9 silników, a w finalnej fazie powrotu na Ziemię włącza się tylko jeden z nich. ESA chce rozwiązać to inaczej: pierwszy stopień rakiety wielokrotnego użytku lub lądownika księżycowego napędzać będzie pojedynczy silnik z regulowanym ciągiem. Właśnie nad tym zagadnieniem pracujemy wspólnie z ArianeGroup.

Jak w ogóle europejski przemysł kosmiczny wypada na tle USA, gdzie dziś pierwsze skrzypce grają prywatne firmy, takie jak SpaceX?
Stany Zjednoczone zdecydowanie nas wyprzedzają. Zarówno jeśli chodzi o budowanie i wielkość „kosmicznego ekosystemu”, czyli sieci prywatnych firm współpracujących z NASA, jak i środków, na jakie mogą liczyć. Amerykanie są również gotowi ponosić trochę większe ryzyko, np. zezwalając na loty rakiet SpaceX. Na szczęście Europa budzi się ze snu zimowego i powstaje coraz więcej prywatnych przedsiębiorstw działających w branży kosmicznej. ESA zaczęła też zauważać, że właśnie dzięki nim możliwy będzie szybszy rozwój technologii. Wykazuje też więcej zaufania do sektora prywatnego i przedsięwzięć o wysokim ryzyku, ale również wysokim potencjalnym zysku.

Pan pracował przez pewien czas w samym sercu Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Tak, w latach 2014–16 mieszkałem w Holandii i byłem zatrudniony w European Space Research and Technology Centre, czyli głównym centrum technologicznym ESA. Najpierw jako stażysta, a później inżynier w sekcji napędów chemicznych, czyli de facto klasycznych napędów rakietowych. Jako jeden z pierwszych zajmowałem się zastosowaniem druku 3D w metalu do tworzenia komponentów silników. Dzięki temu można było np. zredukować liczbę elementów głowicy wtryskowej paliwa z ponad pięćdziesięciu do jednego–dwóch. Pracowałem również nad planami infrastruktury księżycowej bazy orbitalnej, która po pewnych ewolucjach ma służyć jako stacja przesiadkowa dla astronautów lądujących na Srebrnym Globie w ramach amerykańskiego programu Artemis.

Czy potężne rakiety, takie jak te wynoszące astronautów na Kwsiężyc, będą kiedyś powstawać także w Polsce?
Na razie nie mamy szans na konstrukcje ważące kilkaset i więcej ton. Możemy jednak już dziś dostarczać do nich i do lądowników księżycowych komponenty i podsystemy oraz skupiać się na rozwoju kompletnych polskich platform satelitarnych. To główna część, powtarzająca się w kolejnych egzemplarzach satelity, a więc m.in. struktura, napęd, system zasilania oraz komputer pokładowy. Takie platformy o masie do 200 kg już opracowuje polska firma Creotech Instruments, choć na razie korzysta z wielu dostawców zagranicznych. Mogę sobie jednak wyobrazić, że za jakiś czas będą to wyłącznie polskie przedsiębiorstwa. Już dziś pracujemy nad ekologicznym systemem napędowym dla tej firmy.

W czym zatem jesteśmy dziś najlepsi?
Nasz instytut ma sukcesy w obszarze napędów rakietowych. Są też polskie firmy zaawansowane m.in. w mechanizmach i robotyce kosmicznej, technologiach opracowywanych do serwisowania satelitów, technologiach kwantowych czy wspomnianych już platformach satelitarnych.

Bardzo dobrze kształtuje się kooperacja naszej placówki badawczej z przemysłem. Dzięki temu większość przychodów instytutu to rezultat współpracy komercyjnej. Bardzo się z tego cieszę, bo zależy nam przede wszystkim na tym, by wyniki badań nie lądowały na półce.

Interesuje się pan również kwestią tzw. kosmicznych śmieci, czyli tego, co zostawiamy na okołoziemskiej orbicie.
Ten problem narasta, gdyż kolejne firmy chcą mieć wokół Ziemi coraz więcej satelitów. Tylko SpaceX wystrzeliła ich już blisko 5 tys., zaś docelowo ma ich być nawet 42 tys. A to tylko jeden projekt Starlink, czyli budowany przez Elona Muska system dostępu do internetu w każdym zakątku Ziemi.

Będą więc powstawać megakonstelacje złożone z tysięcy obiektów. W pewnym momencie satelitom zabraknie jednak paliwa i utleniacza, wyłączą się komputery pokładowe i zasilanie. Taki „martwy” satelita będzie mógł pozostawać na orbicie dekady, a nawet setki lat, tworząc zagrożenie m.in. dla innych obiektów czy misji załogowych. Ponadto może ulec rozpadowi, np. w wyniku uderzeń małych meteorytów, na mniejsze fragmenty, więc liczba śmieci będzie rosła. Ponadto będą one utrudniały prowadzenie obserwacji astronomicznych.

Jak temu zaradzić?
Pojawiają się pomysły wysłania „śmieciarek kosmicznych”. Brzmi chwytliwie, ale sprzątanie za ich pomocą orbity byłoby zadaniem niezwykle trudnym. Dlatego lepszym pomysłem jest zobligowanie właścicieli i operatorów satelitów do umieszczenia w nich systemów napędowych pozwalających obniżyć orbitę po zakończeniu misji. W ten sposób da się doprowadzić do spalenia urządzenia w gęstych warstwach atmosfery. Do tego potrzebny jest niezawodny silnik, który będzie można włączyć pod koniec „życia” satelity, czyli np. po 10–15 latach. Pracujemy obecnie nad napędami przeznaczonymi do tego zadania. Nie tylko po to, by móc „pchnąć” obiekt w kierunku Ziemi, ale również kontrolować, gdzie spadną te fragmenty, które nie spłoną całkowicie w atmosferze. Sprzątanie orbity może więc być kolejnym obszarem, gdzie polski przemysł kosmiczny wykaże się sukcesami badawczymi i wdrożeniami.