Satelliet op zuurstofwater voor een groene ruimtevaart

Power to engines on, ignition is go,” three, two, one,… and lift-off! In een tijd waar raketten haast wekelijks gelanceerd worden en vliegen in enkele honderd jaar tijd is uitgegroeid tot de snelste transportatiemanier op de planeet kan men de ecologische voetafdruk van deze transportmethoden niet over het hoofd zien. Zijn er alternatieve brandstoffen? Wat is hun toepassing?

Het doel van deze bachelorproef is het onderzoeken en maken van een kleinschalige satelliet die gebruik maakt van waterstofperoxide, ook wel beter bekend als zuurstofwater voor het voortstuwingssysteem.

Als satellietmodel hebben we gebruik gemaakt van het standaard CubeSat model.

Hierdoor is het ontwerpen eenvoudiger en houden we ons aan standaardbemating.

In ons geval heeft de CubeSat een grootte van 10x10x30 cm. Dit houdt in dat we met 3 personen elk een ruimte van 10x10x10 cm hadden om in te werken.

Opdeling CubeSat

Zo zit in de eerste ruimte de avionica, dit is de elektronica die alles aanstuurt en controleert. Voor het bewegen van de Cubesat gebruiken we reactiewielen, deze wielen draaien aan verschillende snelheden. Door het vertragen of versnellen van het wiel kan de satelliet bewegen rond 3 assen.

In de middelste ruimte zit de brandstoftank, deze is gemaakt uit een balg met origami patroon.

Deze balg is in staat om het zuurstofwater op te slaan zonder dat er ongewenste reacties ontstaan en beschikt daarnaast over een grote samendrukbaarheid wat ideaal is om zoveel mogelijk brandstof naar buiten te persen.

Figuur 1 Origami balg "bellows" met mal, vervaardigd door vacuumformen

Rond de balg zit er een aluminium cilinder, deze is gevuld met gas onder druk om zo dezelfde druk over te dragen op de vloeistof in de balg. Van zodra er brandstof nodig is gaat de klep open en drukt het gas de balg samen zodat deze vloeit naar de reactiekamer.

In de reactiekamer reageert het zuurstofwater met een zilveren netje.

Figuur 2 Reactiekamer waarin het zuurstofwater wordt omgezet in water en zuurstof

Door de chemische reactie splitst de stof op in stoom en zuurstof, dit zijn beide producten die niet schadelijk zijn voor het milieu. Ook ontstaat er veel warmte bij het reactieproces, uit de warmte wordt de energie gehaald die nodig is voor de stuwkracht van onze satelliet.

Met deze stuwkracht kan de satelliet zich dan bewegen in de ruimte, om zo z’n baan te veranderen. De mogelijkheid tot het veranderen van de baan is ideaal voor het maken van correcties alsook het tegengaan van ruimteafval, zo stelt Europa dat iedere satelliet z’n baan moet verlaten en opbranden in de atmosfeer binnen de 25 jaar.

Wie zijn wij?

Wij zijn een groep van 3 gepassioneerde luchtvaart studenten, die een professionele bachelor volgden bij VIVES in Oostende.

We besloten verder te studeren voor elektromechanische industrieel ingenieur in de luchtvaart bij de Vrije Universiteit van Brussel.

Hier gaan we ons nog verder verdiepen in onderwerpen zoals deze bachelorproef.

Ook wordt het CubeSat project verder uitgewerkt aan de VUB. Hier kunnen wij dan met medestudenten en proffen van andere richtingen zoals ingenieurs elektronica, chemici, fysici, … het project ooit tot een werkend geheel de ruimte insturen.

Onze conclusie

SIC PARVIS MAGNA, ‘Grootsheid van Kleine Beginselen’, de slogan die dit gehele project startte, van een idee die z’n oorsprong vond tijdens de zomervakantie tot de aflevering van dit naslagwerk, wat hebben we geleerd en bereikt? Voldoet het resultaat aan de verwachtingen?

Eerst en vooral zijn we zeker tevreden met wat we bereikt hebben, van de theoretische uitwerking waar we zeer veel kennis hebben verworven over allerhande zaken zoals standaardisatie, astrodynamica, attitude control, de ideale raket theorie en veel meer. Daarnaast was het een geweldige ervaring om onze ideeën te zien evolueren van een gedachtegang, tot een model waarop er iteratief verder gewerkt werd om dan uiteindelijk te resulteren in een fysiek object vervaardigd, gebruik makende van verschillende technieken zoals 3D-printen, frezen, draaien en vacuümformen.

Alhoewel we omwille van tijd en funding niet in staat waren het initiële ontwerp te realiseren, zijn we er wel in geslaagd de belangrijkste zaken uit te werken. Zo zijn we er in geslaagd om meerdere origami balgen te vacuümformen, en dit met de gewenste samendrukbaarheid en water/luchtdichtheid. Verder slaagden we er ook in om aan te tonen dat het voortstuwingssysteem gebruik makende van een zilveren katalysator en 50% waterstofperoxide in reactie gaat.

De test met de katalysator mag dan wel redelijk simpel gebeurd zijn door middel van een spuit wat resulteerde in een sputterende motor, we zijn er ons van bewust dat de prestatie vele malen beter zou zijn indien het geheel, zijnde het toeleversysteem onder een druk van 0,5 MPa en de tijd en mogelijkheid tot het uitproberen van verschillende uitlaat geometrieën betere resultaten zou leveren.

Persoonlijk denken we dat de ‘proof-of-concept’ geslaagd is, we hebben de belangrijkste zaken kunnen aantonen. Alhoewel er nog niets geoptimaliseerd is, zijn we zeker niet van plan dit project te stoppen na de eindverdediging. We zijn zelf nieuwsgierig naar de mogelijkheden van onze satelliet. Zo zijn we van plan de resterende kleppen te bestellen, de balgen grondig te testen en verschillende uitlaat geometrieën uit te proberen. Zeker nu we begonnen zijn aan de VUB geloven we erin dat we dit project tot een goed einde kunnen brengen en medestudenten betrekken in het project!

Hieronder vindt u het zelfde artikel maar in een totaal andere opmaak: