Paliwa ciekłe mogą przyspieszyć eksplorację kosmosu. Są bezpieczniejsze, bardziej elastyczne i zasilają już coraz więcej komercyjnych rakiet

Paliwa ciekłe mogą zrewolucjonizować transport kosmiczny. Choć obecnie to paliwa stałe są stosowane najczęściej, to silniki na ciekły materiał pędny uzyskują najwyższą efektywność spośród silników rakietowych. Wraz ze wzrostem ilości paliwa i utleniacza, większe są tylko zbiorniki, silnik pozostaje taki sam, inaczej niż w przypadku napędów na paliwa stałe czy hybrydowe. Do tego silniki na paliwa ciekłe są bezpieczne i elastyczne pod względem warunków pracy. Napędy na paliwa ciekłe umożliwią rozwój satelitarnych systemów startowych, zapewniając dostęp do orbity po znacznie niższych kosztach niż istniejąca technologia rakietowa.

– Wykorzystanie paliw ciekłych pozwala na bardziej ekonomiczne loty. Gdybyśmy chcieli np. używać tych samych paliw i utleniaczy w formie gazowej, musielibyśmy mieć dużo większe zbiorniki. Jednak największym plusem są zdecydowanie jak najlepsze osiągi oraz bezpieczeństwo i możliwość sterowania takimi rakietami – ocenia w rozmowie z agencją innowacyjną Newseria Innowacje Agata Zwolak, lider projektu rakiety hybrydowej z AGH Space Systems.

Silniki na ciekłe paliwo uzyskują najwyższą efektywność spośród silników rakietowych. Z tradycyjnymi napędami wygrywają też kwestią przechowywania materiałów pędnych w rakiecie. Wraz ze wzrostem ilości paliwa i utleniacza zwiększa się tylko zbiornik, sam silnik pozostaje taki sam. W przypadku pozostałych silników, wraz z ilością paliwa rośnie komora spalania. Dodatkowo silniki na paliwa ciekłe są bezpieczne i stosunkowo elastyczne pod względem warunków pracy, są już niemal powszechnie używane w rakietach orbitalnych.

– Chemiczne napędy rakietowe można podzielić na ciekłe, stałe i hybrydowe. W przypadku paliw stałych używamy stałego utleniacza i stałego paliwa, w przypadku rakiet hybrydowych – ciekłego lub gazowego utleniacza oraz stałego paliwa. Natomiast w przypadku napędów ciekłych używamy zarówno ciekłego utleniacza, jak i ciekłego paliwa. Użycie silników napędzanych paliwem ciekłym pozwala nam na osiąganie lepszych osiągów, a także zwiększenie bezpieczeństwa i daje nam możliwość lepszego sterowania ciągiem silnika – przekonuje Agata Zwolak.

Silniki na paliwo stałe i hybrydowe sprawdzają się przede wszystkim w rakietach suborbitalnych i sondujących, czyli stosunkowo małych. Są dość proste i tanie, a dodatkowo próg masy potrzebnej do umieszczenia działającego napędu w rakiecie jest mniejszy niż w innych napędach. Paliwa ciekłe mają inne zalety, a ze względu na bezpieczeństwo i efektywność stopniowo zmieniają rynek rakiet.

– Przykładami takich paliw ciekłych może być np. kerozyna – nafta, jaka jest wykorzystywana w rakietach SpaceX, albo np. alkohol izopropylowy, którego my używamy w naszym projekcie „Turbulencja”. Natomiast jako utleniacza można użyć m.in. ciekłego tlenu lub ciekłego podtlenku azotu – wymienia ekspertka.

„Turbulencja”, czyli projekt rakiety sondującej napędzanej silnikiem rakietowym na ciekły materiał pędny, skonstruowana przez Polaków z AGH Space Systems, to pierwsza na świecie rakieta na paliwo ciekłe wykorzystująca podtlenek azotu. Pozwoliło to na uproszczenie całego systemu przy zachowaniu efektywności właściwej silnikom na paliwo ciekłe. Dzięki temu jesteśmy w stanie zbudować rakietę sondującą lub suborbitalną wyposażoną w silnik na paliwo ciekłe, który osiąga lepszą efektywność niż rakiety na paliwo stałe czy te hybrydowe.

– Większe komercyjne rakiety są już w dużej mierze zasilane właśnie ciekłym materiałem pędnym, jednak napędy hybrydowe i stałe dalej są wykorzystywane na świecie. Przede wszystkim napędy stałe w różnych projektach militarnych, a napędy hybrydowe do mniejszych projektów, do sterowania w kosmosie. Każdy z rodzajów silników niesie jakąś przyszłość dla rozwoju technologii kosmicznych – tłumaczy Zwolak.

Silniki z napędem na paliwa stałe wciąż jeszcze cieszą się największą popularnością, jednak już od lat największe firmy świata pracują nad silnikami o alternatywnych napędach, które mogłyby znacznie ułatwić i przyspieszyć eksplorację kosmosu. Niedawno opracowany silnik rakietowy SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) może być kolejnym krokiem naprzód w napędzie lotniczym. Łączy elementy technologiczne silników odrzutowych i rakietowych, tworząc oszczędny i skalowalny układ napędowy wielokrotnego użytku. Od startu w atmosferze silnik zasysa powietrze jak konwencjonalny silnik odrzutowy, aby wspomóc spalanie paliwa wodorowego. Po przekroczeniu atmosfery przełącza się na konwencjonalny tryb rakietowy i wykorzystuje ciekły tlen. 

Tego typu silniki umożliwią wprowadzenie szeregu hipersonicznych pojazdów powietrznych i rozwój satelitarnych systemów startowych, tym samym zapewnią też dostęp do orbity po znacznie niższych kosztach niż obecnie.

Rewolucyjna technologia opracowana przez Polaków może z kolei sprawdzić się np. w rakietach wojskowych. Zastosowanie podtlenku azotu mogłoby być znacznie tańsze w przypadku rakiet wojskowych, które przez dłuższy czas mają być w pełnej gotowości do startu. Takie rakiety mogłyby się też sprawdzić przy wynoszeniu ładunków na trajektorie suborbitalne i orbitalne.

– W przypadku paliw, jakie my wykorzystujemy, czyli podtlenek azotu i alkohol izopropylowy, są to tanie i łatwo dostępne materiały, ponieważ naszym celem jest wykorzystywanie łatwych i tanich środków, żeby zbudować projekt przystępny cenowo – wskazuje Agata Zwolak.

Paliwa ciekłe to jednak nie koniec w napędach rakietowych. Niedawno naukowcom z Uniwersytetu Harvarda udało się otrzymać wodór metaliczny w stanie stałym. Może to oznaczać prawdziwą rewolucję. Wodór w tym stanie będzie kilkukrotnie mocniejszym paliwem rakietowym niż stosowany do tej pory w rakietach wodór ciekły.

Trwają również prace nad silnikami plazmowymi, gdzie wykorzystywane jest elektromagnetyczne przyspieszanie plazmy. Dzięki uzyskiwaniu prędkości kilkuset tysięcy km/h, lot na Marsa może trwać zaledwie 39 dni zamiast co najmniej pół roku w przypadku rakiet konwencjonalnych. Podobny efekt mogłoby dać zastosowanie silników fuzyjnych, gdzie – jak wyliczają eksperci – ilość paliwa o wielkości ziarnka piasku dałaby taką samą siłę, co cztery litry chemicznego paliwa.